Рух електронів в атомі
Уявлення про будову атома пройшли складний шлях розвитку. Дуже важливу роль у розвитку теорії будови атома відіграла планетарна модель атома Резерфорда. Проте ця модель не змогла пояснити рух електронів в атомі. Сучасна модель атома базується на уявленнях про мікросвіт — світ частинок мікроскопічних розмірів, які не піддаються законам макросвіту. Електрон, як мікрочастинка, має певну масу і заряд. У той же час електрон, рухаючись з величезною швидкістю, виявляє хвильові властивості. Говорять, що електрон має двоїсту природу — одночасно проявляє властивості і частинки і хвилі. Завдяки цьому для електрона не можливо водночас визначити швидкість руху та напрямок. Тому з’ясувалося, що неможливо визначити траєкторію руху електрона в атомі. Можна лише говорити про ймовірність знаходження електрона в тому чи іншому місці від ядра. Подібна модель руху електрона дозволяє скласти уявлення про електронну хмару. Простір поблизу ядра, в якому ймовірність перебування електрона досить велика (приблизно дев’яносто відсотків), називається орбіталлю. Цей простір обмежується поверхнею, тобто є об’ємною геометричною фігурою.
Орбіталі (електронні хмари) відрізняються як розмірами, так і формою. Теоретичні розрахунки довели, що вони можуть мати форму сфери, гантелі та інші форми складнішої будови. Орбіталі, що мають сферичну форму, позначають буквою s, орбіталі, що мають форму гантелі, — буквою p, орбіталі більш складних форм позначають буквами d, f тощо. Центри орбіталей співпадають з центром ядра.
Крім обертання навколо ядра, для електрону ще характерний рух навколо власної осі — спін. Якщо два електрони мають однакові напрямки обертання, то такі електрони називають електронами з паралельними спінами. Якщо, навпаки, напрямки обертання двох електронів протилежні, то це електрони з антипаралельними спінами. Згідно з принципом Паулі на одній орбіталі може знаходитися тільки два електрони, що мають антипаралельні спіни.
Електронні хмари окремих електронів в атомі утворюють спільну електронну хмару атома — електронну оболонку. При графічному зображенні електронної оболонки орбіталі часто зображують квадратом (клітиною). Електрон зображують стрілкою. Два електрони з антипаралельними спінами схематично зображують двома стрілками в одній клітині, що мають протилежні напрямки.
Електрони електронної оболонки атома розрізняються енергією. Чим далі електрон від ядра, тим менша в нього енергія. Електронні хмари з близькою енергією становлять в атомі електронний шар (енергетичний рівень). Електрони першого, найближчого до ядра шару притягуються до ядра сильніше, ніж електрони другого шару. Відповідно електрони третього шару притягуються до ядра слабше, ніж електрони другого шару.
Кожний електронний шар складається з певного числа орбiталей певної форми (електронних підшарів або енергетичних підрівнів). Число енергетичних підрівнів дорівнює номеру енергетичного рівня. Тобто перший енергетичний рівень складається з одного підрівня, другий — з двох, третій — з трьох тощо. Ці підрівні позначаються так само, як і орбіталі, якими вони утворені. Енергетичний підрівень може містити тільки певне число орбіталей. s-підрівень представлений однією s-орбіталью, р-підрівень — трьома р-орбіталями, d-підрівень — п’ятьма d-орбіталями, f-підрівень — сім’ю f-орбіталями. Таким чином
· перший шар складається з однієї s орбіталі, її позначають 1s;
· другий шар складається з чотирьох орбіталей: однієї s та трьох p орбіталей, їх позначають 2s і 2p;
· третій шар складається з дев’яти орбіталей: однієї s, трьох p та п’яти d орбіталей, їх позначають 3s, 3p і 3d.
Оскільки на одній орбіталі може знаходитися тільки два електрони, можна визначити загальне число електронів, що знаходяться на певному енергетичному рівні. Для цього треба скористатися формулою: N = 2 · n2, де N — загальне число електронів на енергетичному рівні, n — номер рівня. Отже, на першому енергетичному рівні може знаходитися два електрони, на другому — вісім електронів, на третьому – вісімнадцять електронів, на четвертому — тридцять два електрони.
em