3.5. Периодическая система элементов с точки зрения квантовой механики.

Первое удовлетворительное объяснение Периодической таблицы на основе электронной теории атома было дано Бором в 1921 г. Он ввел концепцию, которая теперь известна как принцип заполнения (принцип aufbau).

Этот принцип утверждает, что электронная структура элемента формируется из электронной структуры предыдущего (имеющего на единицу меньший порядковый номер) элемента путем добавления электрона в наинизшую по энергии и еще незаполненную оболочку. Чтобы получить периодичность, Бору пришлось постулировать, что существует максимальное число электронов, которые могут занимать данную оболочку:

в K-оболочке могут находиться 2 электрона (s-АО);

в L-оболочке - 8 электронов (s-АО и три р-АО);

в М-оболочке - 18 электронов (s-АО, три р-АО и пять d-АО);

в N-оболочке - 32 электрона (s-АО, три р-АО и пять d-АО и семь f-АО) и т.д.

Обоснование этого постулата было дано Паули. Однако для этого ему пришлось ввести в науку новое понятие: спин.

В 1925 г. Уленбек и Гаудсмит предположили, что электрон ведет себя как бы вращающаяся вокруг своей оси частица, которая имеет внутренний угловой (спиновый) и связанный с ним магнитный моменты. Эти авторы нашли, что необходимо постулировать полуцелое квантовое число для спинового углового момента (спина), s=1/2. Для электрона существует две компоненты спина, т.е. m_s() =  1/2. Позднее выяснилось, что еще за три года до гипотезы Уленбека и Гаудсмита Штерн и Герлак выполнили эксперименты, ее подтверждающие. Они пропускали пучок атомов серебра через неоднородное магнитное поле и установили, что он расщепляется на два пучка. Создавалось впечатление, что атомы серебра имели как бы два допустимых направления магнитных моментов относительно направления магнитного поля. Поскольку в атомах серебра имеется лишь один электрон на s-орбитали сверх замкнутой (и поэтому сферической) оболочки, поведение атомов серебра в магнитном поле определяется свойствами этого электрона. Расщепление, наблюдавшееся Штерном и Герлахом, можно было объяснить только существованием для электрона двух возможных значений m_s.

Гипотеза Уленбека и Гаудсмита была последним звеном, позволившим Паули сформулировать свой принцип, согласно которому в любом атоме никакие два электрона не могут иметь одинаковых значений всех четырех квантовых чисел n, l, m, m_s.

Позднее он понял, что этот принцип позволяет объяснить периодичность электронных структур, установленную Менделеевым и затем Бором.

Так на 1s-АО может находиться один электрон в случае атома водорода или два с противоположными спинами в случае атома гелия. Но уже следующий электрон должен занять 2s-АО (Li), которая может принять и второй электрон (Ве) с другим по сравнению с первым спином. Далее, поскольку 2s-АО уже заполнена полностью, начинается заполнение 2р-АО, и получается электронная структура следующих 6 элементов (B,C,O,N,F,Ne).

При переходе к более тяжелым элементам в таблице начинается заполнение d-и f-АО. Порядок их заполнения важен для понимания электронной структуры переходных металлов и редкоземельных элементов. Правило заключается в следующем:

заполнение происходит в порядке, согласно которому в первую очередь заполняются АО с наименьшими значениями суммы (n+l). Если две или более АО имеют одно и то же значение (n+l), они заполняются в соответствии со значениями l: прежде всего заполняются АО с наибольшими значениями l.

Это правило приводит к следующему порядку заполнения АО (в скобках - значения суммы n+l и l):

1s (1/0)	2s(2/0)	2p(3/1)	3s(3/0)	3p(4/1)	4s(4/0)
3d(5/2)	4p(5/1)	5s(5/0)	4d(6/2)	5p(6/1)	6s(6/0)
4f(7/3)	5d(7/2)	6p(7/1)	7s(7/0)	5f(8/3)	и т.п.

Кроме того, нужно сделать следующие общие замечания:

1) nd-АО имеют приблизительно ту же энергию, что и (n+1)s-АО;

2) nf-АО имеют приблизительно ту же энергию, что и (n+1)d-АО;

3) полностью или наполовину заполненные d-подоболочки обладают, по-видимому, дополнительной стабильностью.

Используя сформулированные правила, можно построить электронные структуры всех элементов Периодической системы.