Связь распределения электронов по орбиталям с периодической таблицей Менделеева

Условно все возможные квантовые состояния распределяют по слоям, подслоям и орбиталям. Как оказалось, свойства атомов определяются распределением электронов по этим состояниям.

Квантовым слоем (квантовой оболочкой) называют совокупность состояний, которым соответствует одно и то же значение квантового числа n, но разные значения l, m, s. Наибольшее число электронов N, которые могут находиться в оболочке, равно удвоенному квадрату главного квантового числа: N=2n². Энергия состояний в многоэлектронном атоме зависит от двух квантовых чисел n и l, поэтому электроны в квантовом слое могут занимать l энергетических уровней.

Квантовые слои обозначаются цифрами, соответствующими номерам слоев, кроме того они имеют названия: слой n = 1 называют К слоем (или К оболочкой), слой n = 2 называют L слоем (или L оболочкой), слой n = 3 – М слоем, n = 4 – N, n = 5 – О слоем, n = 6 – Р слой и так далее (латинский алфавит, заглавные буквы).

Каждый квантовый слой с номером n состоит из n квантовых подслоев, соответствующих состояниям с одними и теми же n, l, но разными m, s. Подслои обозначаются буквами: l = 0 – s, l = 1 – p, l = 2 – d, l = 3 – f, l = 4 – g и т.д. Энергия электронов одного подслоя примерно одинакова.

Структуры и максимально возможные заполнения слоев изображают в виде формул: K-слой ® 1s² , L‑слой ® 2s²2p⁶ , M-слой ® 3s² 3p⁶ 3d¹⁰, N-слой ® 4s² 4p⁶4d¹⁰4f¹⁴. Используя введенные понятия, можно условно формулой и графически изобразить распределение электронов, например, атома кислорода О₈, следующим образом: 1s² 2s² 2p⁴ , или графически согласно рис.13.13:

При заселении орбиталей электроны в первую очередь располагаются поодиночке на каждой орбитали, а затем начинается их заполнение вторыми электронами. Эта особенность связана с тем, что энергия подслоя при таком заполнении несколько меньше.

Рис. 13.13.

В изменении свойств химических элементов наблюдается определенная периодичность, которая выражается в том, что по мере заполнения электронных оболочек химические свойства элементов периодически повторяются. Этот фундаментальный закон природы был открыт Менделеевым. На основании этого закона строится таблица Менделеева, где номер периода, в котором находится элемент, совпадает с номером его внешней оболочки, а номер группы совпадает с числом электронов в этой оболочке, при этом заряд ядра Z совпадает с порядковым номером элемента в Периодической таблице.

Спонтанное и вынужденное излучение фотонов. Принцип работы квантового генератора и его использование.

Согласно квантовой теории излучения, атом после его возбуждения внешними источниками может самопроизвольно перейти в состояние с меньшей энергией, которое разрешено правилами отбора. Эксперименты и теория, развитая Эйнштейном, показали, что кроме спонтанного излучения может происходить и вынужденное излучение. Вынужденное излучение происходит из-за внешнего воздействия на возбужденный атом, при этом становятся возможными переходы, которые запрещены правилами отбора. Возможность осуществления вынужденного излучения привело к созданию источников когерентного излучения на различных частотах или квантовых генераторов: лазеров (они испускают световые волны), мазеров (короткие радиоволны), разеры (рентгеновские волны), газеры (гамма-излучение).