Мир вокруг нас

На любой s-орбитали (впрочем, как и на любой орбитали вообще) — можно разместить, максимально, по два электрона, с противоположными спинами. Помимо s-орбитали, начиная со второй электронной оболочки, становится возможным образование и трёх p-орбиталей. Совокупность p-орбиталей — удобно представить в виде отдельной сферы (= подоболочки), при расщеплении оболочки на подоболочки s (2 электрона) и p (6 электронов). Тогда, p-орбитали — можно увидеть как способ разместить на сфере более двух электронов (в т. ч. обходя принцип запрета Паули): для этого, сфера (вернее, объём, ограниченный сферой) должна как бы вспучиться, разделиться на три части, т. е. три p-орбитали, составляющие сферу лишь в сумме, см. рис. 221 и 222. Действительно, орбитали любой подоболочки (как p (3 орбитали), так и более сложные, d (5 орбиталей) и f (7 орбиталей)) — легко сложить в единое сферически симметричное целое (= подоболочку), просто совместив все орбитали одного уровня друг с другом в пространстве (см. пример на рис. 223).

Рис. 221

Рис. 222 ^{[XII] [XIII] [XIV]}.Три p-орбитали (p_y-орбиталь (ориентирована вдоль координатной оси y), p_x-орбиталь (посередине), p_z-орбиталь (справа))

Рис. 223 ^[XV].Совмещение орбиталей 3d-подоболочки

При совмещении орбиталей, видно, что выполняется условие расположения электронов наиболее далеко друг от друга, но без изменения среднего расстояния от ядра, т. е. такое расположение электронов — энергетически выгодно.

Подоболочки, однако, не равнозначны друг другу (по энергии): Упрощая, можно сказать, что электроны, при заполнении оболочки, в последовательности s – p, и далее, p – d и d – f — располагаются всё более тесно друг к другу, как можно видеть уже из рис. 215. Это приводит к энергетической неравнозначности электронов на этих подоболочках: в направлении подоболочки (= подуровня) f — растёт энергия электронов, а энергетическая выгода т. о. падает. При этом, число электронов на подоболочках — соответствует разнице между площадями соседних сфер = оболочек (число электронов: 8 – 2 = 6 (p), 18 – 8 = 10 (d), 32 – 18 = 14 (f), и т. д.).

Более высокую энергию электронов на p (а также на d и f) подоболочках (из-за большей тесноты расположения) — можно представить также как эквивалентную дополнительному движению электрона, по сравнению с покоем относительно ядра, т. е. в виде орбитального момента, или импульса электрона. (Это не означает, что электрон движется по орбитали, но дополнительное движение (дополнительная, по отношению к энергии покоя, энергия электрона) определяет геометрию образуемой им орбитали (p или d, и т. д.)). Орбитальный момент отсутствует у электронов s-подоболочек, и равен единице для электронов p-подоболочки, двум единицам для d, и т. д. (т. е. квантуется). Это — третье (после n и спина) квантовое число электрона в атоме (выясненное на неклассическом этапе).

Если орбитальный момент разложить по проекциям на оси координат (x, y и z) — получим ориентацию орбиталей, относительно друг друга, отражающую стремление электронов располагаться как можно дальше друг от друга (а орбиталей, как сферических гармоник — занимать промежутки между собой, для образования сферически симметричного целого), см. рис. 222. То же самое — и для d-подуровня (рис. 223), и т. д. (Проекция орбитального момента — это четвёртое (последнее) квантовое число, характеризующее состояние электрона в атоме).

Волновая суть p- и d-орбиталей (которые были показаны, в частности, на рис. 217) — тоже может быть понята по аналогии со стоячими волнами на мембране (барабане), см. рис. 224–226. Из рис. легко понять, что орбитали в виде «гантелей», и другие причудливые формы — действительно могут представлять реальную геометрическую форму стоячей волны, которую образует электрон в атоме. Эквивалентом этого, является и традиционная интерпретация, что форма электронной орбитали — отражает распределение плотности вероятности обнаружения электрона (как частицы), в пространстве.

Рис. 224 ^[XVI]. Колебание мембраны, соответствующее орбитали 2p (показаны положения мембраны в моменты времени t_{1, 5} (вверху), t_{2, 4} (посередине), t₃ (внизу))

Рис. 225 ^[XVII]. Колебание мембраны, соответствующее орбитали 3p (показаны положения мембраны в моменты времени t_{1, 5} (вверху), t_{2, 4} (посередине), t₃ (внизу))