§ 6.5. Многоэлектронные атомы

В классической механике одинаковые частицы, образующие систему, например, атомы или молекулы газа, всегда индивидуальны в том смысле, что каждой из них можно приписать определенный номер и проследить ее движение. В системе микрочастиц вследствие их волновой природы действует фундаментальный квантовый принцип неразличимости тождественных частиц. В соответствии с этим принципом все микрочастицы делятся на две группы, для каждой из которых выполняется свой статистический закон распределения по уровням энергии. В одну группу входят частицы с полуцелым спином – фермионы. Они подчиняются принципу Паули: в каждом определенном квантовом состоянии может находиться только один фермион. Фермионом является электрон, его спиновое квантовое число s=1/2. Другую группу образуют частицы с целочисленным спином – бозоны. Бозоны являются коллективистами и подчиняются принципу ассоциативности: их число в одном и том же состоянии может быть любым, и чем больше бозонов в данном состоянии, тем более вероятность, что и следующий попавший в систему бозон окажется в этом состоянии. Примером бозона является фотон, его спиновое квантовое число s=0.

Квантовая физика объясняет периодичность химических свойств элементов, отраженную в таблице Д.И. Менделеева и связанную со строением электронных оболочек атомов. Для электронов в атоме принцип Паули дает следующее правило: в одном и том же атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором четырех квантовых чисел: n, l, m и s, или, другими словами, состояния двух электронов в одном и том же атоме различаются хотя бы одним квантовым числом. Электронные состояния с одним и тем же числом n образуют электронную оболочку или электронный слой. В пределах одного слоя могут быть состояния с разными l. Они образуют подгруппы или подоболочки. Каждому l соответствует 2l+1 значение m, и, наконец, каждому значению m два значения s=±. Таким образом, каждый электронный слой содержит 2 электронных состояний.

Из уравнения Шредингера для многоэлектронных атомов следует, что из-за взаимодействия электронов между собой даже без внешнего воздействия на атом квантование энергии определяют два квантовых числа: n и l. Это означает, что каждый уровень энергии с номером n состоит из n близких подуровней с разными значениями l. Количество электронов в атоме совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева. Электронные оболочки и соответствующие им уровни энергии заполняются электронами согласно двумя законам: 1- всякая система стремится к минимуму энергии, 2 – электроны подчиняются принципу Паули. Заполнение электронных оболочек атомов начинается с состояний с самой низкой энергией, т.е. n=1. В этом электронном слое имеется всего два состояния. Они реализуются в атомах водорода и гелия. Третий элемент в таблице Менделеева – литий – содержит три электрона. С этого элемента начинается заполнение второго электронного слоя, вмещающего восемь электронов, и заканчивается инертным газом неоном, содержащим десять электронов. Правда, при больших n означенный порядок может нарушаться, так как из-за взаимодействия большого числа электронов друг с другом энергетически выгодным оказывается заполнение следующей электронной оболочки при недостроенной предыдущей. Таким образом, квантовая механика является основой химии. Она объясняет закономерности расположения элементов в таблице Менделеева и периодичности их свойств, основанной на совпадении числа валентных электронов.