Атом водорода (Н) - простейший атом, состоящий из ядра, содержащего 1 протон, и одного электрона, который движется в поле ядра. Простое строение атома водорода позволяет получить для него точное решение уравнения Шредингера.
Точное решение уравнения Шредингера возможно для частиц с одним электроном и любым значением заряда ядра. Такие объекты называют водородоподобными ионами. Вообще, ионами в химии называют частицы, состоящие из одного или нескольких атомов и имеющие отличный от нуля положительный или отрицательный электрический заряд, кратный по величине заряду электрона. Для многоэлектронных атомов решение уравнения Шредингера усложняется с ростом числа электронов и требует использования различных приближений.
При этом квантовый характер строения атома проявляется в том, что весь спектр частных решений уравнения Шредингера определяется перебором 4-х параметров - т.н. квантовых чисел, набор которых характеризует состояние электрона в атоме.
Главное квантовое число n соответствует номеру энергетического уровня в модели атома Бора и определяет энергию электрона. Последняя тем больше, чем больше n.
Изучение атомных спектров показало, что отдельные спектральные линии не однородны, а состоят из более тонких близко расположенных линий. В этом случае уровень распадается на неравные, но близкие по энергии подуровни. Это связано с тем, что квантуется не только энергия электрона, но и его момент импульса. Его изменение определяется орбитальным квантовым числом l, которое может принимать значения от 1 до (n−1). Т.е. для уровня с n=1 возможен только один подуровень с l=0, для n=2−2 подуровня с l=0 и l=1, для n=3−3 подуровня с l=0, l=1, l=2 и т.п. В общем, число подуровней на одном уровне равно главному квантовому числу, соответствующему этому уровню.
Подуровни с l=0,1,2,3 принято обозначать латинскими буквами s−, p−, d−, f− и называть s-подуровнями, p-подуровнями, d-подуровнями, f-подуровнями соответственно, а находящиеся на них электроны - s-электронами, p-электронами, d-электронами, f-электронами соответственно.
Энергетические состояния электрона обозначают цифрой, соответствующей уровню и буквой, соответствующей подуровню. Например, запись 2s-электрон означает, что электрон находится на s-подуровне второго уровня. Если на подуровне находится несколько электронов, то их количество указывается как верхний индекс («показатель степени») после буквенного обозначения подуровня. Например, если на d-подуровне 3-го уровня имеется 5 электронов, это будет записываться как 3d5.
Подуровни, в свою очередь, могут расщепляться еще более тонко. Это расщепление связано с неодинаковостью формы орбиталей различных электронов, их пространственного расположения и характером взаимодействия их магнитных полей и внешнего магнитного поля. Это расщепление характеризуется магнитным квантовым числом ml. Для каждого значения l ml принимает все целочисленные значения от −l до +l. Т.е. если l=0, то ml принимает только одно значение, равное 0. Следовательно, на каждом уровне может быть только одна s-орбиталь. Если l=1, то это значит, что ml может принимать одно из 3 значений: −1, 0, +1. С учетом того, что l может быть равным 1 только при n=2,3,4 и т.п. это значит, что на каждом из уровней, начиная со второго, может быть по 3 р-орбитали. Если l=2, то ml принимает значения −2, −1, 0, +1, +2, т.е. d-орбиталей на уровнях, начитая с 3-го (n=3) может быть 5. Таким же образом можно показать, что на каждом уровне, начиная с 4-го (n=4), может быть 7 f-орбиталей, для которых ml принимает значения −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3.
В одной орбитали может находиться не более двух электронов. Если в атомной орбитали находится только один электрон, как в атоме водорода, то такую орбиталь называют полузаполненной или полузаселенной. Если на теоретически возможной орбитали электронов нет, то ее называют вакантной. Полузаселенные и вакантные орбитали играют важнейшую роль при образовании химических связей.
В многоэлектронных атомах встречаются и орбитали с двумя электронами, которые являются полностью заселенными. При этом 2 электрона, находящиеся в одной орбитали, различаются по спину. Спин - квантово-механическое свойство электрона, которому трудно найти аналог в классической механике. Без учета волновых свойств электрона спин можно приближенно представить себе, сравнив электрон с вращающимся вокруг своей оси шаром. При этом спин будет характеризовать направление вращения, т.е. его знак будет меняться в зависимости от того, в какую сторону вращается электрон. Два электрона на одной орбитали обладают антипараллельными спинами, т.е. им соответствуют 2 противоположных значения спинового квантового числа, равные +1/2 и −1/2.
Атомную орбиталь удобно изображать в виде квадратной клетки, называемой квантовой ячейкой. Находящиеся на ней электроны обозначаются стрелками. Если орбиталь полностью заселена, стрелки направлены в противоположные стороны, что обозначает их антипараллельные спины.
Рисунок 1.
Таким образом, единственный электрон атома водорода в основном состоянии характеризуется следующим набором квантовых чисел:
n=1, l=0, ml=0, s=+1/2
При возбуждении электрона главное квантовое число может принимать значение 2, 3, 4 и т.д. Все возможные электронные состояния, соответствующие значениям n от 1 до 4 приведены в табл.
Рисунок 2.
Схема состояний электрона в атоме водорода для n=от1 до 4 изображена ниже:
Рисунок 3.
На схеме показано, что в пределах одного и того же уровня n подуровни s, p и d атома водорода вырождены, т.е. их энергии одинаковы. В невозбужденном состоянии электрон атома водорода или водородоподобного иона находится «в ячейке» 1s, соответствующей самому низкому по энергии уровню.
Принцип, по которому количество подуровней, орбиталей и состояний электрона в атоме водорода может изменяться в зависимости от главного квантового числа n, может быть распространен и на многоэлектронные атомы. Однако ряд их особенностей, связанных с большим числом электронов и более «плотной упаковкой» электронных слоев создает ряд дополнительных особенностей, которые требуют отдельного рассмотрения.