Заполнение уровней электронных слоев согласно квантовой механике происходит в соответствии со сле- дующими правилами: а) В силу принципа Паули в каждом квантовом состоянии не может быть более одного электрона; поэтому максимальное число электронов с заданным / равно 2B/+ 1). Так, в оболоч- ках 5, р, d и / соответственно может находиться максимум 2, 6, 10 и 14 электронов. б) Электроны стремятся занять более низкие энергетические уровни. Поэтому вначале должны заполняться слои с я=1, за- тем с /г = 2, с я = 3 и т. д. Такое заполнение имело бы место в так называемой идеальной схеме, когда в атоме с порядковым номером Z действие ядра и оставшихся Z— 1 электронов определяется потенциалом в пред- положении, что все эти заряды находятся в центре. Тогда для оставшегося электрона мы получаем вырожденную по / систему уровней атома водорода. Однако, как было показано при исследовании щелочных ме- таллов, учет взаимодействия между электронами снимает вы- рождение по /. Оболочки в определенном слое (т. е. с фиксиро- ванным значением главного квантового числа п) располагаются в порядке возрастания /. Поэтому сначала заполняются 5-, затем р- и, наконец, d-обо- лочки. Более того, оболочка 45 оказывается расположенной ниже оболочки 3d (точно так же 55 ниже Ad), а оболочка 65 ниже не только оболочки 5д?, но даже ниже оболочки 4/ (аналогично 75 ниже 5/). В итоге оказывается, что внешний слой (для невозбужденных атомов) может состоять только из оболочек sup. Оболочки d и / могут заполняться, когда они лежат соответ- ственно в первом и во втором вну! рением слое, если за первый § 25. Строение сложных атомов 369 внутренний слой взять слой, расположенный непосредственно вблизи к внешнему, и т. д. *. Попробуем это обосновать на конкретных примерах. В пределах 1-го и 2-го периодов системы Менделеева поря- док заполнения уровней согласуется со схемой уровней в атоме водорода. В слое п = 1 заполняется только s-оболочка; в слое п = 2 сначала заполняется s-, а затем и р-оболочки. Если бы для сложных атомов была применима эта идеальная схема, то можно было бы ожидать, что у калия с Z= 19 должна начать заполняться оболочка 3d. Однако согласно таблице 25.1 для калия 6d = 0,146, э 6Ч = 2,23, поэтому энергии электронов, находящихся в состояниях 3d и 4s, соответственно равны: F ,_ Rh ^ Rh h3d C-0,146J 2,8542 ' F = Rh = Rh 45 ~~ D-2,23J ~~ 1,772 " Отсюда следует, что E3d>E4s, а поэтому раньше будет запол- няться более глубокий уровень 45 и лишь затем 3d. Следователь- но, третий период содержит так же, как и второй период, только восемь элементов (nNa — ieAr) и состоит из 3s- и Зр-оболочек. После того как оболочка 4s у кальция (Z = 20) будет запол- нена, можно ожидать, что у скандия (Z = 21) начнет образовы- ваться 4/?-оболочка. Однако изучение спектров показывает, что у последующих элементов B1SC — 2sNi) заполняется сначала оболочка 3d (включая ферромагнитные элементы), а затем уже, начиная с гэСи и кончая 3oZn, продолжается нормальное запол- нение оболочек. Таким образом, 4-й период содержит 18 элемен- тов и состоит из оболочек 4s, 3d, Ар. Следующий, пятый период целиком повторяет четвертый пе- риод C7Rb — 54Хе), т. е. содержит также 18 элементов (запол- няются оболочки 5s, 4d, Ър). 1 Последовательность заполнения электронных оболочек наиболее просто можно запомнить, исходя из следующего правила: заполнение уровней про- исходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел п-И, причем уровни с одинаковым значением этой с\ммы заполняются, как правило, в порядке возрастания п (правило Клечковского). Учитывая, что / принимает значения О, 1, 2, ..., п—1, мы найдем правило заполне- ния термов в любом слое. Например, последовательность заполнения четвер- того периода (см. ниже) должна быть: или шестого периода: и т. д. (В. М. Клечковский. ДАН СССР, 80, 603 A951); см. также*: В. М. Клечковский. Распределение атомных электронов и правило по- следовательного заполнения (п + /)-групп. М., «Наука», 1968). 370 ЧАСТЬ III ТЕОРИЯ МНОГИХ ЧАСТИЦ -118' «мКч,Ц)Г-Щ' „Tl -« 72 Hf 1д 8Ce- Lu ^s'n ~5^rXа fc ^ ¦7s J -5d -6s - fJ2J ПЕРИОД C2) ПЕРИОД A8) ПВ РИ0Д „Na-qMg ,H -2He -is A8) -Js J m2pF) \ \ (W m2s J 'is at] ПЕРИОД период ПЕРИОД ПЕРИ ОД Фиг. 25 7. Схема заполнения электронами энергетических уровней в атомах периоди- ческой системы элементов Менделеева. Оболочки sup могут лежать во внешнем слое. Оболочки d могут лежать начиная с первого внутреннего слоя. Оболочки f могут лежать начиная со вто- рого внутреннего слоя (звездоч- кой обозначены номера неоткры- тых элементов). Шестой период содержит 32 элемента E5Cs — seRn), так как наряду с внешним слоем 6s, 6p заполняется первая внутренняя оболочка Ы A0 электронов) и вторая внутренняя оболочка 4/ A4 элементов группы лантанидов). Точно так же седьмой период должен был бы целиком по- вторить шестой период, т. е. содержать 32 элемента (оболочки 75,5/, &/, 7р). Однако к настоящему времени открыто лишь 18 элементов этого периода. Так называемые актиниды, у которых происходит заполнение второй внутренней оболочки 5f (эоТЬ — юзЬг), дол- жны повторить свойства лантанидов. Итак, первый период содержит всего 2 элемента, второй и третий по 8, четвертый и пятый по 18, а шестой и седьмой по 32 (седьмой период является незаконченным) Порядок заполнения слоев и оболочек в атомах изображен на фиг. 25.7.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Заполнение слоев» з дисципліни «Квантова механіка і атомна фізика»
