Справочник от Автор24
Найди эксперта для помощи в учебе
Найти эксперта
+2

Электронная конфигурация

Электронная конфигурация

Состояние изолированного электрона в поле сил Кулона определяют, используя четыре квантовых числа:

  1. главное квантовое число n=1,2,3,
  2. орбитальное квантовое число l=0,1,2,3,n1.
  3. магнитное квантовое число ml=l,l+1,, l1,l. 
  4. спином ms=±12.

Для первого приближения при характеристике состояния электрона в атоме применяют эти же квантовые числа, даже если учитывают взаимодействия между электронами.

Система из электронов в атоме, которые имеют одинаковые числа n образуют оболочку атома. Оболочки обозначают буквенными символами (табл.1).



Рисунок 1.

Движение электрона по орбите обозначают буквами в соответствии с табл.2



Рисунок 2.

Электронную структуру записывают так: число, находящееся слева -- главное квантовое число (n), сам спектроскопический символ соответствует величине орбитального квантового числа (l).

Полное описание состояния атома требует вместе с указанием полных L,S,J перечисления всех состояний электронов. Так, например, запись: 1s2p3P0 обозначает состояние атома гелия, имеющего L=1,S=1,J=0 и два электрона в состояниях 1s и 2p. В том случае, если несколько электронов находятся в состояниях с одинаковыми n и l , то данный факт обозначают как степень. 2p3 - три электрона в состоянии 2p.

О распределении электронов в атоме по состояниям с разными n и l говорят как об электронной конфигурации.

«Электронная конфигурация» 👇
Помощь эксперта по теме работы
Найти эксперта
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Решить задачу
Помощь с рефератом от нейросети
Написать ИИ

При известных n и l электрон может иметь разные значения проекций орбитального момента (ml) и спина (ms) на ось Z.

В качестве основания для строения электронных оболочек атомов используют:

  1. Принцип Паули: Атому не может принадлежать два электрона, которые бы характеризовались одинаковыми четверками квантовых чисел.

  2. Принцип минимума энергии: при известном суммарном числе электронов в атоме реализуется состояние с минимальной энергией. Принцип минимума энергии коррелирует с условием устойчивости атома.

Общее правило, которое описывает порядок заполнения электронных состояний -- это правило Клечевского: В атоме со многими электронами первыми заполняются состояния с минимально возможной суммой (n+l), а для равных величин (n+l) состояния с минимальным n.

Электронную структуру атома записывают в виде электронной конфигурации с указанием числа электронов на каждой орбитали.

Иерархия взаимодействий в многоэлектронном атоме

В атоме с несколькими электронами выделяют 4 основных вида взаимодействий. В зависимости от них применяется система классификации электронных состояний атома.

  1. Взаимодействие электронов с ядром при помощи сил Кулона.

  2. Меж электронное электростатическое взаимодействие.

  3. Спин -- орбитальное взаимодействие.

  4. Взаимодействие электронов с внешним полем.

Для атома в нормальном состоянии самым сильным является взаимодействие электронов с ядром, оно является определяющим для существования атома или иона. Данное взаимодействие ответственно за грубое деление состояний электрона по уровням энергии, благодаря чему появляется возможность использования электронной конфигурации атомов.

Взаимодействие между электронами и спин-орбитальное взаимодействия являются более «тонкими». Эти взаимодействия определяют применяемую классификацию электронного состояния атома. Если учитывать только меж электронное взаимодействие и не учитывать спин -- орбитальное взаимодействие (при EeeELS  , где Eee энергия взаимодействия электронов между собой, ELS   - энергия спин -- орбитального взаимодействия) (при этом вводят термы в которых величины квадратов орбитального и спинового моментов суммы электронов в атоме определяются точно), то такая схема построения термов называется LS -- приближением (приближением Рассела - Саундерса). Данная схема реализуется не всегда. В приближении LS связи понятия: конфигурация электронов -- терм -- состояние отражает иерархию взаимодействий в атоме: взаимодействие электронов с ядром -- электростатическое взаимодействие электронов -- спин-орбитальное взаимодействие. Как результат: взаимодействие электронов ведет к групповым состояниям электронной оболочки, при этом имеется определенное значение полного орбитального момента электронов (L). В таком случае спины электронов не задействованы, и они складываются (независимо) в полный спин S. В случае необходимости далее учитывается спин-орбитальное взаимодействие, которое связывает полный орбитальный момент и полный спин и ведет к дополнительному расщеплению групповых состояний электронов по величине полного момента J.

Эмпирически показано, то приближение LS-связи хорошо применимо для несильно возбужденных состояний и не тяжелых атомов (до Fe). Термы при этом имеют обозначения: 2S+1LJ.

В случае, если энергия спин --орбитального взаимодействия много больше, чем энергия электростатического взаимодействия электронов (ELSEee), то электростатическим взаимодействием электронов в атоме можно пренебречь. В таком случае состояние каждого электрона определяют квантовыми числами (j, mj). Если известны значения j для всех электронов атома в известной конфигурации (j=1,...N), то считают, что известен терм атома в приближении jj --связи. Такой терм обозначают как:

Если в дальнейшем учитывают электростатическое взаимодействие электронов, то терм расщепляется на группу состояний, количество которых определено числом значений J (возможные значения полного механического момента атомарной электронной оболочки):

При jj -- взаимодействии последовательность интенсивности взаимодействия следующая: взаимодействие электронов и ядра -- спин -- орбитальное взаимодействие -- электростатическое взаимодействие.

Пример 1

Задание: Рассмотрите в рамках LS -- связи предельные случаи наложения внешнего магнитного поля.

Решение:

Пусть энергия взаимодействия электронов с внешним магнитным полем (EH) много меньше энергии спин -- орбитального взаимодействия (ELS), (то есть ELSEH). В таком случае говорят о эффекте Зеемана. Внешнее магнитное поле взаимодействует с полным магнитным моментом атома (J) при этом, оно расщепляет состояние по величине проекции Jz  на 2J+1 составляющих.

Допустим, что энергия взаимодействия электронов с внешним магнитным полем (EH) много больше энергии спин -- орбитального взаимодействия (ELS), (то есть EHELS). В данном случае возникает эффект Пашена -- Бака. При этом считают, что внешнее магнитное поле сильно на столько, что оно разрывает связь орбитального момента и спина. Расщепление при этом происходит по параметру (2Lz+Sz).

В большом числе случаев, если внешнее поле составляет несколько Тесла, то проявляется эффект Зеемана, но так как параметры спин-орбитального взаимодействия атомов существенно отличаются, для легких атомов (например Li) в поле порядка 3 Тл появляются спектры относящиеся к эффекту Пашена - Бака.

Пример 2

Задание: Составьте электронные конфигурации элементов от H до Ne периодической системы элементов и K.

Решение:

В начале периодической системы, когда количество электронов мало, роль их взаимодействия не является существенной. Заполнение электронных состояний идет по идеальной схеме. Так, водород имеет один электрон, его состояние имеет минимальную энергию (n=1), электронная конфигурация водорода: 1s.

Следующий элемент таблицы Менделеева - гелий (He) имеет два электрона. Электроны находятся в состоянии 1s, но имеют противоположные спины. Электронная конфигурация He: 1s2. Это так называемый парагелий. У ортогелия спин второго электрона совпал по направлению с первым электроном и он не может находиться в состоянии 1s. Ближайшее допускаемое по состояние электрона при этом будет 2s. Электронная конфигурация ортогелия запишется как: 1s2s. Инертный газ гелий заканчивает заполнение первой оболочки и он является последним в первом периоде элементов системы.

В литии (Li) заполняется вторая оболочка. В электронной конфигурации парагелия добавляется один электрон. Электрон добавляется в 2s -- состояние, так как третьего электрона в 1s состоянии быть не может в соответствии с принципом Паули. Электронная конфигурация лития: 1s22s.  Следующий элемент периодической системы -- бериллий (Be): 1s22s2. Далее идет Бор (B): 1s22s22p. В p -- состоянии может пребывать 6 электронов (2(2+1)=6). При последовательном переходе от бора до неона включительно заполняются оболочки элементов 2p -- состояния. При этом имеем электронные конфигурации:

C: 1s22s22p2, N:1s22s22p3, O:1s22s22p4, F:1s22s22p5, Ne::1s22s22p6.

Инертным неоном завершается заполнение второй L- оболочки и второго периода.

В соответствии с идеальной схемой заполнения конфигурация K должна быть: 1s22s22p63s23p63d, но на самом деле это не так. С точки зрения энергии боле выгодным является состояние 4s, а не 3d. Этот факт подтвержден прямыми расчетами и экспериментально. Конфигурация калия имеет вид:

K:1s22s22p63s23p64s.
Дата последнего обновления статьи: 08.06.2024
Все самое важное и интересное в Telegram

Все сервисы Справочника в твоем телефоне! Просто напиши Боту, что ты ищешь и он быстро найдет нужную статью, лекцию или пособие для тебя!

Перейти в Telegram Bot

Ищешь информацию по теме "Электронная конфигурация"?

Наши авторы готовы помочь тебе с любым заданием! 👨‍🎓

AI Assistant