2. Строение атома

Пример 1. Что такое квантовые числа? Какие значения они могут принимать?

Решение. Движение электрона в атоме имеет вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0,9-0,95) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, m_l). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные), значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовые числа определяют размер (п), форму (/) и ориентацию (m_l) атомной орбитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму (рис. 1). Формы электронных облаков аналогичны АО. Их также называют электронными или атомными орбиталями. Электронное облако характеризуется четырьмя числами (п, l, m_l m_s). Эти квантовые числа связаны с физическими свойствами электрона. Число п (главное квантовое число) характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона; число l (орбитальное) — момент количества движения (энергетический подуровень); число m_l (магнитное) — магнитный момент; m_s — спин. Спин электрона возникает за счет вращения его вокруг собственной оси. Электроны в атоме должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому в АО могут находиться не более двух электронов, различающихся своими спинами (m_s = ± 1/2). В табл. 1 приведены значения и обозначения квантовых чисел, а также число электронов на соответствующем энергетическом уровне и подуровне.

Таблица 1. Значение квантовых чисел и максимальное число

Электронов на квантовых уровнях и подуровнях

Энергети-ческий уровень	Энергети-ческий подуровень	Возможные значения магнитного квантового числа m	Число орбиталей		Максимальное число электронов
			в под-уровне (2l+ 1)	в уровне n^2	на под-уровне 2(2l+ 1)	на уровне 2n^2
K (n = 1)	s (l = 0)	0	1	1	2	2
L (n = 2)	s (l = 0) p (l = 1)	0 1; 0; +1	1 3	4	2 6	8
M (n = 3)	s (l = 0) p (l = 1) d (l = 2)	0 1; 0; +1 2; 1; 0 +1; +2	1 3 5	9	2 6 10	18
N (n = 4)	s (l = 0) p (l = 1) d (l = 2) f (l = 3)	0 1; 0; +1 2; 1; 0 +1; +2 3; 2;1; 0; +1; +2; +3	1 3 5 7	16	2 6 10 14	32

Рис. 1 Формы s-, p- и d-электронных облаков (орбиталей)

Пример 2. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым (энергетическим) ячейкам.

Решение. Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов пl ^Z, где п — главное квантовое число, l — орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующее буквенное обозначение — s, p, d, f) z — число электронов на данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией — меньшая сумма п+l (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s  2s  2р  3s  Зр  4s  3d  4р  5s  4d  5p  6s  (5d¹)  4f  5d  6р  7s  (6d^1-2)  5f  6d  7p

Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для элементов № 16 (сера) и № 22 (титан) электронные формулы имеют вид

₁₆S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴ ; ₂₂Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s².

Электронная структура атома может быть изображена также в виде схем размещения электронов в квантовых (энергетических) ячейках, которые являются схематическим изображением атомных орбиталей (АО).

Квантовую ячейку обозначают в виде прямоугольника, кружка или линейки, а электроны в этих ячейках обозначают стрелками.

В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с противоположными спинами. Орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами (правило Хунда):

16 S		s		ssss
	n = 1	↑↓	p
	n = 2	↑↓	↑↓	↑↓	↑↓	d
	n = 3	↑↓	↑↓	↑	↑

1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

22Ti

s

1s^22s^22p^63s^23p^63d^24s^2.

n = 1

↑↓

p

n = 2

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

d

n = 3

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑

↑

f

n = 4

↑↓

Пример З. Изотоп 101-го элемента — менделевия (256) был получен бомбардировкой -частицами ядер атомов эйнштейния (253). Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

Решение. Превращение атомных ядер обусловливается их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом. Ядерные реакции связаны с изменением состава ядер атомов химических элементов. С помощью ядерных реакций можно из атомов одних элементов получить атомы других.

Превращение атомных ядер как при естественной, так и при искусственной радиоактивности записывают в виде уравнений ядерных реакций. При этом следует помнить, что суммы массовых чисел (цифры, стоящие у символа элемента вверху слева) и алгебраические суммы зарядов (цифры, стоящие у символа элемента внизу слева) в левой и правой частях равенства должны быть равны. Данную ядерную реакцию выражают уравнением

Es + He =Md +n.

Часто применяют сокращенную форму записи. Для приведенной реакции она имеет вид ²⁵³Es (a, n) ²⁵⁶Md. В скобках пишут бомбардирующую частицу, а через запятую — частицу, образующуюся в данном процессе. В сокращенных уравнениях частицы ⁴₂He; ¹₁H; ²₁D; ¹₀n обозначают соответственно α, р, d, п.

Пример 4. Исходя из сокращенных уравнений ядерных реакций (табл. 2), напишите их полные уравнения.

Решение. Ответ на вопрос см. в табл. 2.

Таблица 2. Сокращенные и полные уравнения ядерных реакций

Сокращенные уравнения	Полные уравнения
^27Al(p,a) ^24Mg	Al + H =Mg +He
^9Be(a,n) ^12C	Be + He =C +n
^59Co(n,a) ^56Mn	Co + n =Mn +He
^14N(n,p) ^14C	N + n =C +H
^32S(d,a) ^30P	S + D =P +He