Энергетические уровни и электронная конфигурация атома

Атомные спектры поглощения и испускания однозначно показывают, что все атомы имеют целый ряд возможных энергетических состояний, называемых основным и возбужденными электронными состояниями (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Диаграмма электронных энергетических состояний атома

Рис. 1.11.
Диаграмма электронных
энергетических состояний атома

Запись распределения электронов в атоме по электронным уровням и подуровням называется его электронной конфигурацией и может быть сделана как для основного, так и возбужденного состояния атома. Для определения конкретной электронной конфигурации атома в основном состоянии существуют следующие три положения.
· Принцип заполнения (наименьшей энергии). Электроны в основном состоянии заполняют орбитали в последовательности повышения орбитальных энергетических уровней. Низшие по энергии орбитали всегда заполняются первыми.
· Принцип Паули. На любой орбитали может находиться не более двух электронов, причем с противоположно направленными спинами (спин – особое свойство электрона, не имеющее аналогов в макромире, которое упрощенно можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси).
· Правило Гунда. Вырожденные (с одинаковой энергией) орбитали заполняются одиночными электронами с одинаково направленными спинами, лишь после этого идет заполнение вырожденных орбиталей электронами с противоположно направленными спинами согласно принципу Паули.

Например, электронная конфигурация атома водорода в основном состоянии записывается в виде:

Для первого возбужденного состояния атома водорода – 2s1, для второго возбужденного состояния – 2p1, для третьего возбужденного состояния – 3s1 и т. д.
Для одноэлектронного атома (водорода) на рис. 1.12 представлены в одинаковом масштабе распределения электронной плотности r в его основном (а) и возбужденных (бв) состояниях
(r – расстояние от электрона до ядра).

Рис. 1.12. Примерные распределения электронной плотности для одноэлектронного атома в основном (а) и возбужденных (б, в) состояниях в зависимости от расстояния (r) электрона до ядра

Рис. 1.12.
Примерные распределения электронной плотности
для одноэлектронного атома в основном (а) и
возбужденных (б, в) состояниях в зависимости
от расстояния (r) электрона до ядра

Если электронов несколько и они расположены на различных орбиталях в многоэлектронном атоме, происходит проникновение электронной плотности одного электрона на своей орбитали в электронную плотность другого электрона на его орбитали. В качестве примера на рис. 1.13 приведено распределение электронной плотности в трехэлектронном атоме лития, находящемся в основном состоянии.

Рис. 1.13. Примерное распределение электронной плотности в трехэлектронном атоме лития для 1s-орбитали (сплошная линия) и для 2s-орбитали (пунктир)

Рис. 1.13.
Примерное распределение электронной плотности
в трехэлектронном атоме лития для 1s-орбитали
(сплошная линия и для 2s-орбитали (пунктир)