§ 9. Стан электрона ў атаме

Развіццё квантавай механікі ў 20-я гады ХХ стагоддзя прывяло да карэннага перагляду фундаментальных паняццяў тэорыі будовы атама. Даследаванне ўласцівасцей электрона паказала, што для яго характэрны ўласцівасці як часціцы, так і хвалі. Электрон як часціца характарызуецца масай і электрычным зарадам, як хваля — даўжынёй хвалі, якая залежыць ад скорасці руху электрона. Гэтую дваістасць уласцівасцей электрона назвалі карпускулярна-хвалевым дуалізмам.

У цяперашні час хвалевыя ўласцівасці электрона выкарыстоўваюцца ў электроннай і атамна-сілавой мікраскапіі, якая дазваляе разглядаць розныя аб’екты (памерам парадку 10^–9 м) з павелічэннем у сотні тысяч разоў (мал. 15). Без гэтых метадаў было б немагчымым з’яўленне нанатэхналогій.

З пункту гледжання квантавай механікі для электрона нельга адначасова дакладна вызначыць яго каардынату і скорасць, а значыць, немагчыма прасачыць траекторыю руху электрона ў атаме, таму кажуць пра верагоднасць знаходжання электрона ў пэўнай вобласці прасторы каля ядра. Яе абмяжоўваюць умоўнай паверхняй, якая ахоплівае прыкладна 90 % аб’ёму, у якім найбольш вялікая верагоднасць знаходжання гэтага электрона (мал. 16). Такую вобласць каляядзернай прасторы называюць атамнай электроннай арбіталлю, ці проста атамнай арбіталлю.

Кожнаму электрону ў атаме адпавядае свая атамная арбіталь, якая характарызуецца пэўнымі значэннямі энергіі, формай і памерам электроннага воблака.

За ўмоўны памер атамнай s-арбіталі прымаюць дыяметр воблака, у якім верагоднасць знаходжання дадзенага электрона складае прыкладна 90 % (гл. пункцірную лінію на мал. 16).

Па форме электроннага воблака адрозніваюць s-, p-, d- і f-арбіталі. s-Арбіталі маюць форму сферы, р — форму гантэлі, d і f — больш складаную форму (мал. 17).

Згодна з асноўным прынцыпам квантавай механікі, электрон у атаме можа прымаць толькі пэўныя значэнні энергіі, а іншыя значэнні забароненыя. У гэтым выпадку кажуць, што энергія электрона квантаваная, гэта значыць мае дыскрэтны набор значэнняў. Для нагляднага ўяўлення станаў электронаў у атаме выкарыстоўваюць энергетычную дыяграму (мал. 18). Прааналізуем гэты малюнак. З малюнка вынікае, што электроны ў атаме размеркаваны па энергетычных узроўнях і падузроўнях.

Энергетычныя ўзроўні (або электронныя пласты, з якімі вы пазнаёміліся, вывучаючы хімію ў 9-м класе) абазначаюць лікам n. Гэты лік мае толькі цэлалікавыя значэнні: 1, 2, 3, ... Кожнаму значэнню n адпавядае пэўнае значэнне энергіі электрона. Энергія можа змяняцца толькі скачкападобна. Самы нізкі энергетычны ўзровень (n = 1) адпавядае мінімальна магчымай энергіі электрона. Электроны, якія знаходзяцца на гэтым узроўні, найбольш моцна звязаныя з ядром. Чым большы n, слабейшая яго сувязь з ядром, большы памер электроннага воблака, тым большая энергія электрона. Пры n = ∞ электрон губляе сувязь з ядром і лічыцца свабодным.

Вам ужо вядома, што лік электронаў на энергетычных узроўнях розны. Так, на першым энергетычным узроўні можа быць не больш за 2, на другім — не больш за 8, на трэцім — не больш за 18 электронаў.

Лік электронаў, які можа змясціць пэўны ўзровень, можна вылічыць па формуле:

N(e^–) = 2n².

Электроны, якія знаходзяцца на адным энергетычным узроўні, утвараюць электронную абалонку, або слой. Найвышэйшую па энергіі электронную абалонку называюць знешняй. На ёй размешчаны электроны, якія слабей за ўсё звязаны з ядром і таму здольныя ўдзельнічаць ва ўтварэнні хімічных сувязей. Іх называюць валентнымі.

У шматэлектронных атамах энергетычныя ўзроўні расшчапляюцца на энергетычныя падузроўні (табл. 5). На першым узроўні (n = 1) ёсць толькі адзін падузровень — 1s, на другім (n = 2) — два падузроўні (2s і 2p), на трэцім іх тры (3s, 3p і 3d).

Табліца 5. Размеркаванне электронаў у атаме па ўзроўнях, падузроўнях, арбіталях

Энергетычны ўзровень, n	Падузровень	Лік атамных арбіталей	Максімальны лік электронаў на падузроўні	Максімальны лік электронаў на энергетычным узроўні (N(e^–) = 2n²)
1	1s	1	2	2
2	2s 2p	1 3	2 6	8
3	3s 3p 3d	1 3 5	2 6 10	18