Автор Антиматрица задал вопрос в разделе Домашние задания
максимальное число орбиталей на энергетическом подуровне равно чему? и получил лучший ответ
Ответ от Artur mkrtchyan[гуру]
Электроны, движущиеся в орбиталях, образуют энергетические уровни.
Максимальное число электронов на энергетическом уровне определяется по формуле:
где n – главное квантовое число.
Электроны, имеющие одинаковое значение главного квантового числа, находятся на одном энергетическом уровне.
По приведенной выше формуле, на первом энергетическом уровне может находиться 2 электрона, на втором – 8, на третьем – 18, на четвертом – 32 и т. д.
Начиная с n = 2, энергетические уровни подразделяются на подуровни.
Различают s-, p-, d- и f-подуровни, которые имеют соответственно 1, 3, 5 и 7 орбиталей.
В соответствии с принципом Паули на одной орбитали может находиться не более двух электронов, поэтому максимальное число электронов на s-, p-, d- и f-подуровнях равно соответственно 2, 6, 10 и 14.
Как видим, все дело в принципе Паули, который не позволяет третьему электрону находиться в той же орбитали, где уже имеется два электрона.
Принцип Паули еще называют принципом запрета. Это один из фундаментальных принципов квантовой механики. Согласно принципу запрета два и более тождественных фермиона (частицы с полуцелым спином, в частности, электроны, протоны, нейтроны, нейтрино) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии.
Принцип был сформулирован Вольфгангом Паули в 1925г. для электронов и в дальнейшем был распространен на все частицы с полуцелым спином. Полное обобщенное доказательство принципа было сделано Паули в 1940г. в рамках релятивистской квантовой механики.
Принцип Паули можно сформулировать следующим образом: в пределах одной квантовой системы в данном квантовом состоянии может находиться только одна частица, состояние другой должно отличаться хотя бы одним квантовым числом.
Наличие электронных оболочек в структуре атома является следствием принципа Паули.
Принцип Паули запрещает электронам принимать одинаковые квантовые состояния. В итоге все электроны не могут быть в одном квантовом состоянии с наименьшей энергией (для невозбуждённого атома) , а заполняют последовательно квантовые состояния с наименьшей суммарной энергией.
Примером может служить невозбужденный атом лития (Li), у которого два электрона находятся на S1 орбитали (самой низкой по энергии) , при этом у них отличаются собственные моменты импульса, третий электрон не может занимать 1s орбиталь, так как будет нарушен запрет Паули, поэтому третий электрон занимает 2s орбиталь (следующая низшая по энергии орбиталь после 1s).
Орбитальное квантовое число l определяет форму электронного облака и энергетический подуровень данного энергетического уровня. Оно связано с n - главным квантовым числом соотношением:
l = 0; 1; 2; …; n -1.
Если главное квантовое число n = 4, то орбитальное квантовое число l = 0; 1; 2; 3.
Максимальное число электронов на энергетическом уровне, определенное по формуле
при n = 4 равно 2*4*4 = 32.
По s-, p-, d- и f-подуровням электроны будут распределяться следующим образом:
2 + 6 + 10 + 14 = 32.
Порядок заполнения орбиталей определенного подслоя определяет Правило Хунда, в соответствии с которым в каждой из орбиталей подслоя заполняется сначала один электрон, а только после исчерпания незаполненных орбиталей на эту орбиталь добавляется второй электрон. При этом на одной орбитали находятся два электрона с полуцелыми спинами противоположного знака, которые спариваются (образуют двухэлектронное облако) и, в результате, суммарный спин орбитали становится равным нулю. То есть, электроны в орбитали спарены, и если дозволяется пошутить, то и без принципа Паули ясно, что третий лишний.
Для запоминания Правила Хунда - «правило трамвайного вагона» :
Ты приглядись, решив присесть,
К местам трамвайного вагона:
Когда ряды пустые есть,
Подсаживаться нет резона.