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.
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