В химии и атомной физике электронную оболочку можно рассматривать как орбиту , по которой электроны следуют вокруг ядра атома . Ближайшая к ядру оболочка называется «оболочкой 1» (также называемой «оболочкой К»), за ней следует «оболочка 2» (или «оболочка L»), а затем «оболочка 3» (или «оболочка М»). ), и так далее все дальше от ядра. Оболочки соответствуют главным квантовым числам ( n = 1, 2, 3, 4...) или маркируются в алфавитном порядке буквами, используемыми в рентгеновских обозначениях (K, L, M,...). Полезным руководством для понимания электронных оболочек в атомах является то, что каждая строка в обычной периодической таблице элементов представляет собой электронную оболочку.
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 электронов). ) и так далее. Общая формула такова: n- я оболочка в принципе может содержать до 2( n2 ) электронов. [1] Объяснение того, почему электроны существуют в этих оболочках, см. в разделе «Конфигурация электронов» . [2]
Каждая оболочка состоит из одной или нескольких подоболочек , а каждая подоболочка состоит из одной или нескольких атомных орбиталей .
В 1913 году Нильс Бор предложил модель атома, дающую расположение электронов на их последовательных орбитах. В то время Бор допустил, что емкость внутренней орбиты атома увеличивается до восьми электронов по мере увеличения атомов, и «в схеме, приведенной ниже, число электронов в этом [внешнем] кольце произвольно принимается равным нормальному валентность соответствующего элемента». Используя эти и другие ограничения, он предложил конфигурации, соответствующие тем, которые сейчас известны только для первых шести элементов. «Из вышеизложенного мы приходим к следующей возможной схеме расположения электронов в легких атомах:» [3] [4]
Терминология оболочки заимствована из модификации Арнольда Зоммерфельда модели Бора 1913 года . В этот период Бор работал с Вальтером Косселем , чьи работы в 1914 и 1916 годах называли орбиты «оболочками». [5] [6] Зоммерфельд сохранил планетарную модель Бора, но добавил слегка эллиптические орбиты (характеризующиеся дополнительными квантовыми числами ℓ и m ), чтобы объяснить тонкую спектроскопическую структуру некоторых элементов. [7] Несколько электронов с одинаковым главным квантовым числом ( n ) имели близкие орбиты, образующие «оболочку» положительной толщины вместо круговой орбиты модели Бора, орбиты которой, называемые «кольцами», описывались плоскостью. [8]
Существование электронных оболочек было впервые обнаружено экспериментально в исследованиях поглощения рентгеновских лучей Чарльзом Барклой и Генри Мозли . Работы Мозли не касались непосредственно изучения электронных оболочек, поскольку он пытался доказать, что таблица Менделеева упорядочивается не по весу, а по заряду протонов в ядре. [9] Однако, поскольку число электронов в электрически нейтральном атоме равно числу протонов, эта работа была чрезвычайно важна для Нильса Бора, который несколько раз упомянул работу Мозли в своем интервью 1962 года. [10] Мозли был частью группы Резерфорда, как и Нильс Бор. Мозли измерил частоты рентгеновских лучей, испускаемых каждым элементом между кальцием и цинком, и обнаружил, что частоты становились выше по мере того, как элементы становились тяжелее. Это привело к теории о том, что электроны испускают рентгеновские лучи, когда они перемещаются на нижние оболочки. [11] Это привело к выводу, что электроны находились в оболочках Косселя с определенным пределом на каждую оболочку, обозначая оболочки буквами K, L, M, N, O, P и Q. [4] [ 12] происхождение этой терминологии было алфавитным. Баркла, который работал независимо от Мозли в качестве экспериментатора рентгеновской спектрометрии, впервые заметил два различных типа рассеяния рентгеновских лучей на элементах в 1909 году и назвал их «А» и «В». Баркла описал эти два типа дифракции рентгеновских лучей : первый не был связан с типом материала, использованного в эксперименте, и мог быть поляризованным. Второй дифракционный луч он назвал «флуоресцентным», поскольку он зависел от облучаемого материала. [13] В то время не было известно, что означают эти линии, но в 1911 году Баркла решил, что перед буквой «А» могут быть линии разброса, поэтому он начал с «К». [14] Однако 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., которые использовались в модели Бора . Они используются в спектроскопической системе обозначений Зигбана .
Работы по отнесению электронов к оболочкам продолжались с 1913 по 1925 годы многими химиками и некоторыми физиками. Нильс Бор был одним из немногих физиков, которые последовали за работой химика [15] по определению таблицы Менделеева, в то время как Арнольд Зоммерфельд больше работал над попытками создать релятивистскую рабочую модель атома, которая могла бы объяснить тонкую структуру спектров на основе классической модели. с точки зрения орбитальной физики посредством подхода Атомбау . [4] Эйнштейн и Резерфорд, которые не следили за химией, не знали о химиках, которые разрабатывали теории электронных оболочек таблицы Менделеева с химической точки зрения, таких как Ирвинг Ленгмюр , Чарльз Бери , Дж. Дж. Томсон и Гилберт Льюис , все они внесли поправки в модель Бора, такие как максимум два электрона в первой оболочке, восемь в следующей и так далее, и были ответственны за объяснение валентности во внешних электронных оболочках и построения атомов путем добавления электронов к внешние оболочки. [16] [4] Поэтому, когда Бор в 1922 году изложил свою теорию атома с электронной оболочкой, для этой теории не существовало математической формулы. Итак, Резерфорд сказал, что ему было трудно «сформировать представление о том, как вы приходите к своим выводам». [17] [18] Эйнштейн сказал о статье Бора 1922 года, что его «электронные оболочки атомов вместе с их значением для химии показались мне чудом - и кажутся мне чудом даже сегодня». [19] Арнольд Зоммерфельд , который следовал структуре электронов Атомбау вместо Бора, который был знаком с взглядами химиков на электронную структуру, говорил о лекции Бора 1921 года и статье 1922 года о модели оболочек как о «величайшем прорыве в атомной структуре со времен 1913 год». [4] [20] [17] Однако развитие электронной оболочки Нильса Бора было в основном той же теорией, что и теория химика Чарльза Ругли Бери в его статье 1921 года. [21] [4] [22]
Поскольку работа над структурой электронной оболочки модели Зоммерфельда-Бора продолжалась, Зоммерфельд ввел три «квантовых числа n , k и m , которые описывали размер орбиты, форму орбиты и направление, в котором движется орбита. указывал». [23] Поскольку мы используем k для постоянной Больцмана , азимутальное квантовое число было изменено на ℓ . Когда была выдвинута современная теория квантовой механики , основанная на матричной механике Гейзенберга и волновом уравнении Шрёдингера, эти квантовые числа были сохранены в современной квантовой теории, но были изменены на n — главное квантовое число , а m — магнитное квантовое число .
Однако окончательная форма модели электронной оболочки, которая до сих пор используется для определения числа электронов в оболочках, была открыта в 1923 году Эдмундом Стоунером , который ввел принцип, согласно которому n -я оболочка описывается выражением 2( n2 ). Увидев это в 1925 году, Вольфганг Паули добавил четвертое квантовое число, «спин», в период старой квантовой теории атома Солнечной системы Зоммерфельда-Бора, чтобы завершить современную теорию электронной оболочки. [4]
Каждая оболочка состоит из одной или нескольких подоболочек, которые сами состоят из атомных орбиталей . Например, первая оболочка (K) имеет одну подоболочку, называемую 1s; вторая оболочка (L) 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 содержать больше подоболочек 5g, которая не занята в основной электронной конфигурации какого-либо известного элемента. [2] Различные возможные подоболочки показаны в следующей таблице:
Каждая подоболочка должна содержать максимум 4 ℓ + 2 электрона, а именно:
Следовательно, K-оболочка, содержащая только s-подоболочку, может содержать до 2 электронов; L-оболочка, содержащая s и ap, может содержать до 2 + 6 = 8 электронов и т. д.; вообще, n- я оболочка может содержать до 2 n 2 электронов. [1]
Хотя эта формула в принципе дает максимум, на самом деле этот максимум достигается ( в известных элементах) только для первых четырех оболочек (K, L, M, N). Ни один известный элемент не имеет более 32 электронов в одной оболочке. [25] [26] Это связано с тем, что подоболочки заполняются по принципу Ауфбау . Первые элементы, имеющие более 32 электронов в одной оболочке, будут принадлежать к g-блоку восьмого периода таблицы Менделеева . Эти элементы будут иметь несколько электронов в подоболочке 5g и, следовательно, иметь более 32 электронов в оболочке O (пятая основная оболочка).
Хотя иногда утверждают, что все электроны в оболочке имеют одинаковую энергию, это лишь приближение. Однако электроны в одной подоболочке имеют совершенно одинаковый уровень энергии, причем более поздние подоболочки имеют больше энергии на электрон, чем предыдущие. Этот эффект настолько велик, что энергетические диапазоны, связанные с оболочками, могут перекрываться.
Заполнение оболочек и подоболочек электронами происходит от подоболочек с меньшей энергией к подоболочкам с большей энергией. Это следует правилу n + ℓ , которое также широко известно как правило Маделунга. Подоболочки с меньшим значением n + ℓ заполняются раньше подоболочек с более высокими значениями n + ℓ . В случае равных значений n + ℓ сначала заполняется подоболочка с меньшим значением n .
Из-за этого более поздние оболочки заполняются обширными участками таблицы Менделеева. Оболочка K заполняет первый период (водород и гелий), а оболочка L — второй период (от лития к неону). Однако оболочка М начинает заполняться с натрия (элемент 11), но не заканчивает заполнение до меди (элемент 29), а оболочка N еще медленнее: она начинает заполняться с калия (элемент 19), но не заканчивает заполнение до иттербия ( элемент 70). Оболочки O, P и Q начинают заполнять известные элементы, но они не завершены даже в самом тяжелом известном элементе, оганессоне (элемент 118).
В списке ниже приведены элементы, упорядоченные по возрастанию атомного номера, и показано количество электронов на оболочку. На первый взгляд, подмножества списка демонстрируют очевидные закономерности. В частности, каждый набор из пяти элементов ( электрический синий ) перед каждым благородным газом (группа 18, желтый ) тяжелее гелия, имеют последовательное количество электронов во внешней оболочке, а именно от трех до семи.
Сортировка таблицы по химической группе показывает дополнительные закономерности, особенно в отношении двух последних крайних оболочек. (Элементы с 57 по 71 относятся к лантанидам , а с 89 по 103 — к актиноидам .)
Приведенный ниже список в первую очередь соответствует принципу Ауфбау . Однако из этого правила есть ряд исключений; например, палладий (атомный номер 46) не имеет электронов в пятой оболочке, в отличие от других атомов с меньшим атомным номером. Элементы после 108 имеют такой короткий период полураспада , что их электронные конфигурации еще не были измерены, и вместо этого были сделаны предсказания.
Ранее обозначался буквами Б и А (...). Однако буквы K и L предпочтительнее, поскольку весьма вероятно существование серий излучений, как более поглощающих, так и более проникающих.
