Рух електронів в атомі. Орбіталі

Двоїстість поведінки електрона

Частинки з такими малими розмірами, як в електрона, мають унікальні властивості, що відрізняють їх від звичайних тіл, з якими ми маємо справу у повсякденному житті. Електрон одночасно проявляє властивості і частинки, і хвилі — говорячи науковою мовою, має двоїсту природу. Подібно до інших частинок електрон має певну масу й заряд; водночас електрон під час руху проявляє хвильові властивості. Хвиля відрізняється від частинки тим, що її положення в просторі не можна точно визначити в певний момент часу.

Завдяки такій природі одночасно визначити швидкість та напрямок руху електрона неможливо. Якщо ми знаємо, в якому напрямку рухається електрон, то не можемо визначити швидкість руху, й навпаки. Цей принцип називають принципом невизначеності Гейзенберга. Унаслідок цього ми не маємо можливості визначити, по якій траєкторії рухається електрон в атомі. Для електрона поняття «траєкторія» застосовувати не можна. Про електрон можна говорити, що в даній точці простору є певна ймовірність його існування.

В атомі електрон перебуває не в одній конкретній точці, а рухаючись, утворює електронну хмару, густина якої (електронна густина) показує, в яких місцях електрон буває частіше, а в яких — рідше. Ту частину електронної хмари, в якій електрон проводить найбільший час й у якій електронна щільність досить велика, називають атомною орбіталлю.

Орбіталь — це область простору, в якій ймовірність перебування електрона становить понад 90%.

Електронні хмари, утворені окремими електронами в атомі, у сумі утворюють спільну електронну хмару атома — електронну оболонку.

Типи орбіталей

Кожна орбіталь має певну форму. Орбіталі різної форми позначають різними літерами: s, p, d та f. s-Орбіталі мають форму кулі, інакше кажучи, електрон, що перебуває на такій орбіталі (його називають s-електроном), більшу частину часу проводить усередині сфери. р-Орбіталі мають форму об’ємної вісімки. Форми d-і f-орбіталей більш складні:

Структура орбіталей в атомі

Орбіталі характеризуються не тільки формою, але й енергією. Кілька орбіталей, що мають однакову або приблизно однакову енергію, утворюють енергетичний рівень, або енергетичний шар.

Кожний енергетичний рівень позначають числом n (n= 1, 2, 3,...) або великою латинською літерою (К, L, М і далі за абеткою). Для першого (найближчого до ядра) рівня n = 1, його позначають літерою К, для другого n =2 (рівень L), для третього n = 3 (рівень М) тощо. Шарувату будову електронної оболонки атомів можна показати так: окружністю позначене ядро, що має певний заряд, а дугами — енергетичні рівні:

Рівень із номером n включає n² орбіталей. Таким чином, перший енергетичний рівень включає одну орбіталь, другий — чотири, третій — дев’ять тощо.

Кожен енергетичний рівень складається з енергетичних підрівнів, які утворені орбіталями, однаковими за формою та енергією. Число енергетичних підрівнів дорівнює номеру енергетичного рівня, тобто перший енергетичний рівень складається з одного підрівня, другий — із двох, третій — із трьох тощо. Ці підрівні позначають так само, як і орбіталі, з яких вони утворені. Отже, s-орбіталі утворюють s-підрівень, р-орбіталі — р-підрівень тощо.

Енергетичний підрівень може містити тільки певне число орбіталей. Кожен s-підрівень представлений однією s-орбіталлю, р-підрівень — трьома р-орбіталями,d-підрівень — п’ятьма d-орбіталями, f-підрівень — сімомаf-орбіталями. В атомі ці орбіталі розташовуються таким чином, що ядро атома збігається із центром орбіталі.

Графічно орбіталь заведено позначати квадратом. Отже, орбіталі перших чотирьох енергетичних рівнів будуть мати такий вигляд:

Як видно із цієї діаграми, перший енергетичний рівень складається з одного s-підрівня, утвореного однією s-орбіталлю. Другий рівень складається з двох підрівнів (sі р), утворених однією s-орбіталлю й трьома р-орбіталями. Третій рівень складається з трьох підрівнів (s, р, і d),утворених однією s-орбіталлю, трьома р-орбіталями й п’ятьма d-орбіталями. На четвертому рівні долається ще сім f-орбіталей. Зверніть увагу на те, що нумерація енергетичних рівнів при графічному зображенні йде знизу вгору.