Электронная оболочка

редактировать

основных уровней энергии в атоме физика

В химии и атомной физике, электронная оболочка может рассматриваться как орбита, за которой следует электронов вокруг атома ядра. Ближайшая к ядру оболочка называется «оболочкой 1» (также называемой «оболочкой K»), за ней следует «оболочка 2» (или «оболочка L»), затем «оболочка 3» (или «оболочка M».), и так далее, все дальше и дальше от ядра. Оболочки соответствуют основным квантовым числам (n = 1, 2, 3, 4...) или обозначены в алфавитном порядке буквами, используемыми в рентгеновской нотации (K, Л, М,…).

Каждая оболочка может содержать только фиксированное количество электронов: первая оболочка может содержать до двух электронов, вторая оболочка может содержать до восьми (2 + 6) электронов, третья оболочка может содержать до 18 (2 + 6 + 10) и так далее. Общая формула состоит в том, что n-я оболочка в принципе может содержать до 2 (n ) электронов. Для объяснения того, почему электроны существуют в этих оболочках, см. электронная конфигурация.

Каждая оболочка состоит из одной или нескольких подоболочек, а каждая подоболочка состоит из одной или нескольких атомных орбиталей.

Содержание

1 История
2 подоболочки
3 Количество электронов в каждой оболочке
4 Энергии подоболочки и порядок заполнения
5 Список элементов с электронами на оболочку
6 См. Также
7 Ссылки

История

Терминология оболочки взята из модификации Арнольда Зоммерфельда модели Бора . Зоммерфельд сохранил планетную модель Бора, но добавил слегка эллиптические орбиты (характеризующиеся дополнительными квантовыми числами ℓ и m), чтобы объяснить тонкую спектроскопическую структуру некоторых элементов. Несколько электронов с одинаковым главным квантовым числом (n) имели близкие орбиты, которые образовывали «оболочку» положительной толщины вместо бесконечно тонкой круговой орбиты модели Бора.

Существование электронных оболочек было впервые обнаружено экспериментально в исследованиях поглощения рентгеновских лучей Чарльзом Баркла и Генри Мозли. Баркла обозначил их буквами K, L, M, N, O, P и Q. Происхождение этой терминологии было алфавитным. Предполагалась также серия "J", хотя более поздние эксперименты показали, что линии поглощения K создаются самыми внутренними электронами. Позже было обнаружено, что эти буквы соответствуют значениям n 1, 2, 3 и т. Д. Они используются в спектроскопической нотации Зигбана.

Субоболочки

3D-изображениях некоторых водородоподобные атомные орбитали, показывающие плотность и фазу вероятности (g-орбитали и выше не показаны).

Каждая оболочка состоит из одной или нескольких подоболочек, которые сами состоят из атомные орбитали. Например, первая (K) оболочка имеет одну подоболочку, называемую 1s; вторая (L) оболочка имеет две подоболочки, называемые 2s и 2p; третья оболочка имеет 3s, 3p и 3d; четвертая оболочка имеет 4s, 4p, 4d и 4f; пятая оболочка имеет 5s, 5p, 5d и 5f и теоретически может удерживать больше в подоболочке 5g, которая не занята в основной электронной конфигурации любого известного элемента. Различные возможные подоболочки показаны в следующей таблице:

Метка подоболочки	ℓ	Максимальное количество электронов	Оболочки, содержащие его	Историческое название
s	0	2	Каждая оболочка	sарфа
p	1	6	2-я оболочка и выше	principal
d	2	10	3-я оболочка и выше	diffuse
f	3	14	4-я оболочка и выше	funndamental
g	4	18	5-я оболочка и выше (теоретически)	(следующая по алфавиту после f, за исключением i)

Первый столбец - это «метка подоболочки», метка из строчных букв для типа подоболочки. Например, «подоболочка 4s» является подоболочкой четвертой (N) оболочки с типом (ами), описанным в первой строке.
Второй столбец - это азимутальное квантовое число (ℓ) подоболочки. Точное определение включает квантовую механику, но это число, которое характеризует подоболочку.
Третий столбец - это максимальное количество электронов, которое может быть помещено в подоболочку этого типа. Например, в верхней строке указано, что каждая подоболочка s-типа (1s, 2s и т. Д.) Может содержать не более двух электронов. В каждом случае это число на 4 больше, чем указанное выше.
В четвертом столбце указано, какие оболочки имеют подоболочку этого типа. Например, если посмотреть на две верхние строки, каждая оболочка имеет подоболочку s, в то время как только вторая оболочка и выше имеет подоболочку ap (т. Е. Подоболочки «1p» не существует).
Последний столбец дает историческое происхождение этикеток s, p, d и f. Они взяты из ранних исследований атомных спектральных линий. Другие метки, а именно g, h и i, являются алфавитным продолжением последней исторически возникшей метки f.

Число электронов в каждой оболочке

Каждая подоболочка должна содержать 4ℓ + Не более 2 электронов, а именно:

Каждая подоболочка s содержит не более 2 электронов
Каждая подоболочка p содержит не более 6 электронов
Каждая подоболочка d содержит не более 10 электронов
Каждая подоболочка f содержит не более 14 электронов
Каждая подоболочка g содержит не более 18 электронов

Следовательно, K-оболочка, содержащая только подоболочку s, может содержать до 2 электронов; L-оболочка, содержащая s и p, может содержать до 2 + 6 = 8 электронов и так далее; в общем, n-я оболочка может содержать до 2n электронов.

Оболочка. имя	Подоболочка. имя	Подоболочка. max. электроны	Оболочка. max. электроны
K	1s	2	2
L	2s	2	2 + 6 = 8
L	2p	6	2 + 6 = 8
M	3s	2	2 + 6 + 10. = 18
	3p	6
	3d	10
N	4s	2	2 + 6 +. 10 + 14. = 32
	4p	6
	4d	10
	4f	14
O	5s	2	2 + 6 +. 10 + 14 +. 18 = 50
	5p	6
	5d	10
	5f	14
	5g	18

Хотя эта формула дает максимум в принципе, фактически этот максимум достигается (известными элементами) только для первых четырех оболочек (K, L, M, N). Ни один из известных элементов не имеет более 32 электронов в одной оболочке. Это связано с тем, что подоболочки заполняются в соответствии с принципом Aufbau. Первые элементы, содержащие более 32 электронов в одной оболочке, будут принадлежать к g-блоку периода 8 периодической таблицы. Эти элементы будут иметь некоторое количество электронов в подоболочке 5g и, таким образом, иметь более 32 электронов в оболочке O (пятая основная оболочка).

Энергии подоболочки и порядок заполнения

Для многоэлектронных атомов n - плохой индикатор энергии электрона. Энергетические спектры некоторых оболочек чередуются.

Состояния, пересекаемые красной стрелкой, имеют одинаковое значение

n + ℓ {\ displaystyle n + \ ell}

{\ displaystyle n + \ ell}

. Направление красной стрелки указывает порядок заполнения состояний.

Хотя иногда утверждается, что все электроны в оболочке имеют одинаковую энергию, это лишь приближение. Однако электроны в одной подоболочке имеют точно такой же уровень энергии, а более поздние подоболочки имеют больше энергии на электрон, чем более ранние. Этот эффект настолько велик, что диапазоны энергии, связанные с оболочками, могут перекрываться.

Заполнение оболочек и подоболочек электронами происходит от подоболочек с более низкой энергией к подоболочкам с более высокой энергией. Это соответствует правилу n + ℓ, которое также широко известно как правило Маделунга. Подоболочки с меньшим значением n + ℓ заполняются раньше, чем с более высокими значениями n +. В случае равных значений n + ℓ, подоболочка с меньшим значением n заполняется первой.

Список элементов с электронами на оболочку

В приведенном ниже списке перечислены элементы, упорядоченные по возрастанию атомного номера, и показано количество электронов на оболочке. На первый взгляд, подмножества списка демонстрируют очевидные закономерности. В частности, каждый набор из пяти элементов (выделен синим цветом) перед каждым благородным газом (группа 18, выделен желтым цветом), тяжелее гелия, имеет последовательное количество электронов во внешней оболочке, а именно от трех до семи. (Однако этот паттерн может нарушиться в седьмом периоде из-за релятивистских эффектов.)

Сортировка таблицы по химической группе показывает дополнительные паттерны, особенно в отношении последних двух крайних оболочек. (Элементы с 57 по 71 относятся к лантаноидам, а с 89 по 103 относятся к актинидам.)

Приведенный ниже список в первую очередь соответствует принципу Ауфбау. Однако из правила есть ряд исключений; например, палладий (атомный номер 46) не имеет электронов в пятой оболочке, в отличие от других атомов с более низким атомным номером. Некоторые записи в таблице недостоверны, когда экспериментальные данные недоступны. (Например, элементы после 108 имеют такие короткие периоды полураспада, что их электронные конфигурации еще не измерены.)

Z	Элемент	No. электронов / оболочка	Группа
1	Водород	1	1
2	Гелий	2	18
3	Литий	2, 1	1
4	Бериллий	2, 2	2
5	Бор	2, 3	13
6	Углерод	2, 4	14
7	Азот	2, 5	15
8	Кислород	2, 6	16
9	Фтор	2, 7	17
10	Неон	2, 8	18
11	Натрий	2, 8, 1	1
12	Магний	2, 8, 2	2
13	Алюминий	2, 8, 3	13
14	Кремний	2, 8, 4	14
15	Фосфор	2, 8, 5	15
16	Сера	2, 8, 6	16
17	Хлор	2, 8, 7	17
18	Аргон	2, 8, 8	18
19	Калий	2, 8, 8, 1	1
20	Кальций	2, 8, 8, 2	2
21	Скандий	2, 8, 9, 2	3
22	Титан	2, 8, 10, 2	4
23	Ванадий	2, 8, 11, 2	5
24	Хром	2, 8, 13, 1	6
25	Марганец	2, 8, 13, 2	7
26	Железо	2, 8, 14, 2	8
27	Кобальт	2, 8, 15, 2	9
28	Никель	2, 8, 16, 2	10
29	Медь	2, 8, 18, 1	11
30	Цинк	2, 8, 18, 2	12
31	Галлий	2, 8, 18, 3	13
32	Германий	2, 8, 18, 4	14
33	Мышьяк	2, 8, 18, 5	15
34	Селен	2, 8, 18, 6	16
35	Бром	2, 8, 18, 7	17
36	Криптон	2, 8, 18, 8	18
37	Рубидий	2, 8, 18, 8, 1	1
38	Стронций	2, 8, 18, 8, 2	2
39	Иттрий	2, 8, 18, 9, 2	3
40	Цирконий	2, 8, 18, 10, 2	4
41	Ниобий	2, 8, 18, 12, 1	5
42	Молибден	2, 8, 18, 13, 1	6
43	Технеций	2, 8, 18, 13, 2	7
44	Рутений	2, 8, 18, 15, 1	8
45	Родий	2, 8, 18, 16, 1	9
46	Палладий	2, 8, 18, 18	10
47	Серебро	2, 8, 18, 18, 1	11
48	Кадмий	2, 8, 18, 18, 2	12
49	Индий	2, 8, 18, 18, 3	13
50	Олово	2, 8, 18, 18, 4	14
51	Сурьма	2, 8, 18, 18, 5	15
52	Теллур	2, 8, 18, 18, 6	16
53	Йод	2, 8, 18, 18, 7	17
54	Ксенон	2, 8, 18, 18, 8	18
55	Цезий	2, 8, 18, 18, 8, 1	1
56	Барий	2, 8, 18, 18, 8, 2	2
57	Лантан	2, 8, 18, 18, 9, 2	3
58	Церий	2, 8, 18, 19, 9, 2
59	Празеодим	2, 8, 18, 21, 8, 2
60	Неодим	2, 8, 18, 22, 8, 2
61	Прометий	2, 8, 18, 23, 8, 2
62	Самарий	2, 8, 18, 24, 8, 2
63	Европий	2, 8, 18, 25, 8, 2
64	Гадолиний	2, 8, 18, 25, 9, 2
65	Тербий	2, 8, 18, 27, 8, 2
66	Диспрозий	2, 8, 18, 28, 8, 2
67	Гольмий	2, 8, 18, 29, 8, 2
68	Эрбий	2, 8, 18, 30, 8, 2
69	Тулий	2, 8, 18, 31, 8, 2
70	Иттербий	2, 8, 18, 32, 8, 2
71	Лютеций	2, 8, 18, 32, 9, 2
72	Гафний	2, 8, 18, 32, 10, 2	4
73	Тантал	2, 8, 18, 32, 11, 2	5
74	Вольфрам	2, 8, 18, 32, 12, 2	6
75	Рений	2, 8, 18, 32, 13, 2	7
76	Осмий	2, 8, 18, 32, 14, 2	8
77	Иридий	2, 8, 18, 32, 15, 2	9
78	Платина	2, 8, 18, 32, 17, 1	10
79	Золото	2, 8, 18, 32, 18, 1	11
80	Меркурий	2, 8, 18, 32, 18, 2	12
81	Таллий	2, 8, 18, 32, 18, 3	13
82	Свинец	2, 8, 18, 32, 18, 4	14
83	висмут	2, 8, 18, 32, 18, 5	15
84	Po лоний	2, 8, 18, 32, 18, 6	16
85	Астатин	2, 8, 18, 32, 18, 7	17
86	Радон	2, 8, 18, 32, 18, 8	18
87	Франций	2, 8, 18, 32, 18, 8, 1	1
88	Радий	2, 8, 18, 32, 18, 8, 2	2
89	Актиний	2, 8, 18, 32, 18, 9, 2	3
90	Торий	2, 8, 18, 32, 18, 10, 2
91	Протактиний	2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
92	Уран	2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
93	Нептуний	2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
94	Плутоний	2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
95	Америций	2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
96	Кюрий	2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
97	Берклий	2, 8, 18, 32, 27, 8, 2
98	Калифорний	2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
99	Эйнштейний	2, 8, 18, 32, 29, 8, 2
100	Фермий	2, 8, 18, 32, 30, 8, 2
101	Менделевий	2, 8, 18, 32, 31, 8, 2
102	Нобелий	2, 8, 18, 32, 32, 8, 2
103	Лоуренсий	2, 8, 18, 32, 32, 8, 3
104	Резерфордий	2, 8, 18, 32, 32, 10, 2	4
105	Дубний	2, 8, 18, 32, 32, 11, 2	5
106	Сиборгиу m	2, 8, 18, 32, 32, 12, 2	6
107	Борий	2, 8, 18, 32, 32, 13, 2	7
108	Калий	2, 8, 18, 32, 32, 14, 2	8
109	Мейтнерий	2, 8, 18, 32, 32, 15, 2 (?)	9
110	Дармштадтий	2, 8, 18, 32, 32, 16, 2 (?)	10
111	Рентгений	2, 8, 18, 32, 32, 17, 2 (?)	11
112	Copernicium	2, 8, 18, 32, 32, 18, 2 (?)	12
113	Нихоний	2, 8, 18, 32, 32, 18, 3 (?)	13
114	Флеровий	2, 8, 18, 32, 32, 18, 4 (?)	14
115	Московий	2, 8, 18, 32, 32, 18, 5 (?)	15
116	Ливерморий	2, 8, 18, 32, 32, 18, 6 (?)	16
117	Теннессин	2, 8, 18, 32, 32, 18, 7 (?)	17
118	Оганессон	2, 8, 18, 32, 32, 18, 8 (?)	18

См. Также

Викискладе есть материалы, относящиеся к диаграммам электронных оболочек.

Список литературы