49. Принцип Паули. Периодическая система элементов Менделеева

  В 1869 г. Д.И. Менделеев открыл периодический закон химических и физических свойств элементов в зависимости от атомной массы (рис. 8.2). Выяснилось, что если расположить все химические элементы в порядке возрастания их атомных масс, то обнаруживается сходство физико-химических свойств элементов. Через промежутки, называемые периодами, элементы, расположенные в одном вертикальном ряду – группе элементов, – обнаруживают повторяемость физических и химических свойств. Во времена Менделеева были известны 64 элемента. Расположив их в систему, Менделеев в некоторых случаях должен был отступить от принципа связи периодичности с возрастанием атомной массы (K и Ar). Физический смысл порядкового номера Z элемента периодической системы Менделеева был выяснен в ядерной модели атома Резерфорда. Порядковый номерZэлемента совпадает с числом протонов – положительных элементарных зарядов в ядре. Число их закономерно возрастает на единицу при переходе от предыдущего химического элемента к последующему. Это число совпадает с общим количеством электронов в атоме данного элемента.

Химические свойства элементов, их оптические и некоторые другие физические свойства объясняются поведением внешних электронов, называемых валентными или оптическими. Периодичность свойств химических элементов связана с периодичностью в расположении валентных электронов атома различных элементов. Объяснение строения периодической системы элементов, теоретическое истолкование периодической системы Менделеева было дано в квантовой теории Бором в 1922 г. еще до появления квантовой механики. Последовательная теория периодической системы основывается на следующих положениях:  1) общее число электронов в атоме данного химического элемента равно порядковому номеру Z этого элемента; 2) состояние электрона в атоме определяется набором его четырех квантовых чисел: n, l, , ; 3)распределение электронов в атоме по энергетическим состояниям должно удовлетворять принципу минимума потенциальной энергии: с возрастанием числа электронов каждый следующий электрон должен занять возможные энергетические состояния с наименьшей энергией; 4) заполнение электронами энергетических уровней в атоме должно проходить в соответствии с принципом Паули. Пример:  Z = 1 (водород, Н). Единственный электрон атома водорода находится в состоянии 1s, характеризуемом квантовыми числами n = 1, l = 0, , m = 0 (ориентация его спина произвольна).

Принцип Паули: в атоме не может быть 2 и более электронов которые находились бы в одинаковых состояниях, так как состояние электрона в атоме характеризуется 4 квантовыми числами n,l, , то в любой атомной системе не может быть 2 электронов с одинаковым набором квантовых чисел n,l, , .

Так как квантовое число принимает 2 значения , то иногда говорят что на каждом уровне находятся 2 электрона с антипараллельными спиновыми моментами.

Согласно принципу минимума энергии заполнения электронами слоев атома в невозбужденном состоянии происходит в порядке замещения мест соответствует минимуму полной энергии атома, т.е. электрон занимает свободное состояние с наименьшей энергией.Т.к. принимает 2 значения , а число принимает (2l+1) значений, то число электронов в подслое не превышает 2(2l+1). При заданном квантовом числе m, квантовое число l принимает значение от 0 до n-1 поэтому максимальное число электронов в каждом слое можно найти вычислив сумму

Принцип Паули дает объяснение периодической заполняемости электрона атома. Если начать с атома водорода имеющего один электрон то каждый последующий элемент можно получить увеличив заряд ядра последующего элемента на 1 и добавляя еще один электрон который нужно помещать в доступное согласно принципу Паули состояние с наименьшей энергией. Эти электроны постепенно заполняют слой с одним и тем же квантовым числом n. Если заряд водорода увеличить на 1 и добавить электрон, то получиться гелий, оба электрона будут находиться в K оболочке(n=1).но с антипараллельной ориентацией спинов.