Периодическая система элементов

Объяснение системы химических элементов было сделано после открытия принципа Паули. Определение максимального количества электронов в электронной оболочке атома в определённом квантовом состоянии дало возможность объяснить распределение химических элементов по группам и периодам системы.

В естественном состоянии найдено $90$ элементов. Самый большой номер у урана $(Z=92)$. Такие элементы как технеций $(Tc)$ и прометий $(Pm)$ в естественных состояниях не встречены. Данные два элемента являются радиоактивными. Их период полураспада много меньше возраста Земли. Со времени возникновения Земли $Tc$ и $Pm$ полностью распались. Возникнуть же, как результат радиоактивных преобразований соседних по таблице элементов (из состава тех, что имеются в природе) они не могли, так как соседи стабильны. Элементы, имеющие атомные номера больше $92$ носят название трансурановых. Они все являются радиоактивными и получаются искусственно. На сегодняшний момент получены $126$ элементов.

Поскольку химические свойства элементов связывают с наличием валентных электронов в атоме, то периодичность свойств элементов определена периодичностью расположения электронов в атомах. Следовательно, для трактования таблицы можно считать, что каждый следующий элемент образуется добавлением к ядру протона и одного электрона к электронной оболочке атома. Взаимодействием электронов, по началу, можно пренебречь и вносить только соответствующие поправки.

Рассмотри некоторые атомы химических элементов в основном состоянии. В атоме водорода один электрон в $1s$ состоянии с квантовыми числами $n=1,l=0,m=0,\ m_s=\pm \frac{1}{2}$. Электроны атома гелия находятся в $1s$ состоянии, при этом спины их имеют противоположные направления. Электронная конфигурация атома He пишется как $1s^2$, что означает два $1s$ электрона. При этом $K$- оболочка является заполненной. И это обозначает окончание $1$ периода системы элементов. Третий электрон атома лития $(Z=3)$ в соответствии с принципом Паули не может быть размещен в заполненной $K$-оболочке и занимает низшее энергосостояние в $L$-оболочке $(n=2)$, то есть имеем $2s$ -- состояние. При этом электронная конфигурация атома лития имеет вид: $1s^22s.$ Атом лития начинает второй период системы ДИ. Менделеева. Четвертый электрон заканчивает заполнение (элемент бериллий $Z=4)$ подоболочки $2s$. Для следующих шести элементов постепенно заполняется подоболочка $2p$ (это элементы от $B$ ($Z=5$) до $Ne$ ($Z=10$)). Второй период системы заканчивает инертный газ -- неон. Для него подоболочка $2p$ заполнена полностью. Подобные рассуждения применимы ко всем элементам периодической системы. Отметим только то, что начальными элементами периодов являются щелочные металлы и их последний электрон находится в $s$ -- состоянии. Завершают периоды инертные газы, для которых $s$- и $p$-состояния наружной оболочки являются заполненными полностью. Элементы от лантана ($Z=57$) до лютеция ($Z=71$) (лантаниды) и от актиния ($Z=89$) до лоуренсия ($Z=103$) (актиниды) размещают в одной клетке системы, так как химические свойства данных элементов очень близки. Объяснение схожести в свойствах всех лантанидов и всех актинидов простое. У лантанидов заполняется подоболочка $4f$, которая может содержать $14$ электронов, только тогда, когда полностью будут заполнены подоболочки $5s,5p, 6s$. Для данных элементов внешняя $P$ -- оболочка ($6s^2$) является одинаковой. Подобным образом одинаковой становится $Q$- оболочка ($7s^2$) для актинидов.

Так, периодичность химических свойств элементов объясняется повторяемостью структуры внешних оболочек атомов родственных элементов.

Недостатки теории периодической системы элементов

В теории периодической системы определяются состояния отдельных электронов оболочки атома, а не как единой системы, что является существенным недостатком. Состояние оболочки электронов надо определять при помощи волновой функции всех координат, принадлежащих оболочке электронов, и при этом учитывать их (электронов) взаимодействие. Точный смысл имеет состояние именно всей оболочки, а не каждого электрона в отдельности. Однако точно найти волновую функцию имеющимися на сегодняшний день методами невозможно. Это и заставляет вводить разного рода приближения.

Кроме того, электроны в оболочках атомов характеризуют при помощи орбитального квантового числа ($l$). Что предполагает неизменность численной величины орбитального момента количества движения каждого электрона. Однако закон сохранения момента количества движения выполняется только для частицы, которая перемещается в поле с центральной симметрией. Поле атома не имеет такой симметрии. Даже если имеется только один внешний электрон, то поле в котором перемещается электрон является сферически симметричным только как результат квантово -- механического усреднения.