Принцип Паули. Энергетические уровни электронов в атомах и электронные слои

Согласно Бору, нормальным состоянием атома является состояние с наименьшей энергией. Внешние причины могут «возбудить» атом, т. е. перевести электрон из основного состояния в одно из состояний с большей энергией, но через некоторое время (обычно малое — порядка 10-8 с) атом возвращается в невозбужденное состояние, излучая фотон. Однако энергия основного состояния атомов разных веществ оказалась существенно различной. Для объяснения этого факта В. Паули (1900—1958) высказал весьма общий принцип, позволивший не только разобраться в некоторых загадках спектров, но и объяснить суть периодической таблицы элементов Менделеева, в которой были систематизированы химические свойства атомов, но причины этой систематики не были объяснены.

Принцип Паули утверждает, что электроны, входящие в состав любой системы, не могут находиться в одинаковых энергетических состояниях. Так как энергетическое состояние определяется четырьмя квантовыми числами, то, следовательно, в одной системе (даже макроскопической, и тем более в атоме) не могут существовать два электрона с одинаковыми квантовыми числами. Следствием этого является конечное число электронов в состояниях, определяемых одинаковыми главными квантовыми числами (электронные слои). Так, например, главному квантовому числу n= 1 отвечают возможные комбинации остальных чисел: l=0, m1=0, ms=±1/2. Это так называемое s-состояние. Следовательно, s-состоянию отвечают только два электрона.

Для n=2 получается:

Общее число электронов, отвечающих p-состоянию, равно шести.

В слое, для которого n=2, оказывается 8 электронов, в слое, с п=3 — 18 электронов. Поэтому в соответствующем d-состоянии может находиться до 10 (18—8) электронов. Легко показать, что для всех « получается число электронов N, равное:

N = 2n2.

Электронные системы часто обозначают буквами:

Объединяя принцип Паули с общим принципом стремления системы к наименьшей энергии, мы приходим к представлению о возможном порядке заполнения состояний — этот порядок и определяет химические свойства атомов.

Первый период системы Менделеева содержит два элемента: водород и гелий. Оболочки этих атомов состоят соответственно из одного и двух электронов, входящих в состав первого электронного слоя К.

Электронные оболочки элементов второго периода (8 элементов) заполняются последовательно, причем все добавочные электроны оказываются в состояниях, соответствующих слою L.

Так же просто заполняется и третий период, содержащий восемь элементов. Дальнейшее заполнение происходит более сложным образом, результатом чего и является различное число элементов в остальных периодах.

В таблице (с. 184) приводятся данные о распределении электронов по слоям для некоторых элементов периодической системы Менделеева. Следует обратить внимание на полное заселение электронных слоев и L соответственно) у двух первых инертных газов — гелия и неона; при этом у неона во внешнем слое имеется восемь электронов. Такая же закономерность (восемь наружных электронов) наблюдается и у прочих инертных газов, хотя при этом внешний электронный слой и не заселен полностью. Оболочки инертных газов наиболее устойчивы (химическая активность этих газов ничтожна), что подтверждается и значениями потенциалов ионизации — они являются наибольшими среди элементов данного периода.