Просмотр кода страницы Электронная конфигурация

{{значения термина|конфигурация|Конфигурация}}
[[Файл:Electron orbitals.svg|right|thumb|350px|Электронные [[Атомная орбиталь|атомные]] и [[Теория молекулярных орбиталей|молекулярные орбитали]]]]

'''Электро́нная конфигура́ция''' — формула расположения [[электрон]]ов по различным [[Электронная оболочка|электронным оболочкам]] [[атом]]а [[химический элемент|химического элемента]] или [[Молекула|молекулы]].

Электронная конфигурация обычно записывается для атомов в их [[Основное состояние|основном состоянии]]. Для определения электронной конфигурации элемента существуют следующие правила: 
# '''Принцип заполнения'''. Согласно принципу заполнения, электроны в основном состоянии атома заполняют [[Атомная орбиталь|орбитали]] в последовательности повышения орбитальных [[Энергетический уровень|энергетических уровней]]. Низшие по энергии орбитали всегда заполняются первыми.
# '''[[Принцип Паули|Принцип запрета Паули]]'''. Согласно этому принципу, никакие два электрона в одном атоме не могут иметь одинаковые значения четырех квантовых чисел.
# '''Правило Хунда'''. Согласно этому правилу, заполнение орбиталей одной подоболочки начинается одиночными электронами с параллельными (одинаковыми по знаку) спинами, и лишь после того, как одиночные электроны займут все орбитали, может происходить окончательное заполнение орбиталей парами электронов с противоположными спинами.
С точки зрения [[квантовая механика|квантовой механики]] электронная конфигурация — это полный перечень одноэлектронных [[волновая функция|волновых функций]], из которых с достаточной степенью точности можно составить полную волновую функцию [[атом]]а (в приближении самосогласованного поля).

Если говорить в общем, атом, как составную систему, можно полностью описать только полной [[волновая функция|волновой функцией]]. Однако такое описание практически невозможно для атомов сложнее атома [[водород]]а — самого простого из всех атомов химических элементов. Удобное приближённое описание — [[метод самосогласованного поля]]. В этом методе вводится понятие о волновой функции каждого электрона. Волновая функция всей системы записывается как надлежащим образом [[симметризованное произведение]] одноэлектронных волновых функций. При вычислении волновой функции каждого электрона поле всех остальных электронов учитывается как внешний [[потенциал]], зависящий в свою очередь от волновых функций этих остальных электронов.

В результате применения метода самосогласованного поля получается сложная система нелинейных [[интегро-дифференциальное уравнение|интегродифференциальных уравнений]], которая всё ещё сложна для решения. Однако уравнения самосогласованного поля имеют [[вращательная симметрия|вращательную симметрию]] исходной задачи (то есть они сферически симметричны). Это позволяет полностью классифицировать одноэлектронные волновые функции, из которых составляется полная волновая функция атома.

Для начала, как в любом центрально симметричном потенциале, волновую функцию в самосогласованном поле можно охарактеризовать [[квантовое число|квантовым числом]] полного [[угловой момент|углового момента]] <math>l</math> и квантовым числом проекции углового момента на какую-нибудь ось <math>m</math>. Волновые функции с разными значениями <math>m</math> соответствуют одному и тому же уровню энергии, т. е. вырождены. Также одному уровню энергии соответствуют состояния с разной проекцией [[спин]]а электрона на какую-либо ось. Всего для данного уровня энергии <math>2(2l+1)</math> волновых функций. Далее, при данном значении углового момента можно перенумеровать уровни энергии. По аналогии с атомом водорода принято нумеровать уровни энергии для данного <math>l</math> начиная с <math>n=l+1</math>. Полный перечень квантовых чисел одноэлектронных волновых функций, из которых можно составить волновую функцию атома, и называется электронной конфигурацией. Поскольку всё вырождено по квантовому числу <math>m</math> и по спину, достаточно только указывать полное количество электронов, находящихся в состоянии с данными <math>n</math>, <math>l</math>.

== Расшифровка электронной конфигурации ==

[[Файл:Periodic Table structure.svg|right|thumb|230px|Таблица электронной конфигурации]]

По историческим причинам в формуле электронной конфигурации квантовое число <math>l</math> записывается латинской буквой. Состояние с <math>l=0</math> обозначается буквой <math>s</math>, для <math>l=1</math> используется буква <math>p</math>; для <math>l=2</math> применяется буква <math>d</math>; для <math>l=3</math> – буква <math>f</math>; а для <math>l=4</math> – буква <math>g</math>. Слева от числа <math>l</math> пишут число <math>n</math>, а сверху от числа <math>l</math> — число электронов в состоянии с данными <math>n</math> и <math>l</math>. Например <math>2s^2</math> соответствует двум электронам в состоянии с <math>n=2</math>, <math>l=0</math>. Из-за практического удобства
(см. [[правило Клечковского]]) в полной формуле электронной конфигурации термы пишут в порядке возрастания квантового числа <math>n</math>, а затем квантового числа <math>l</math>, например <math>1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3</math>. Поскольку такая запись несколько избыточна, иногда формулу сокращают до <math>1s^2 2s^2 p^6 3s^2 p^3</math>, т. е. опускают число <math>n</math> там, где его можно угадать из правила упорядочения термов.

== Периодический закон и строение атома ==
Все занимавшиеся вопросами строения атома в любых своих исследованиях исходят из инструментов, которые предоставлены им [[Периодический закон|периодическим законом]], открытым химиком [[Менделеев, Дмитрий Иванович|Д. И. Менделеевым]]; только в своём понимании этого закона физики и математики пользуются для истолкования зависимостей, показанных им, своим «языком» (правда, известен довольно ироничный афоризм [[Гиббс, Джозайя Уиллард|Дж. У. Гиббса]] на этот счёт<ref>«Математик может говорить всё, что вздумает, физик должен хотя бы частично сохранять рассудок» — {{lang-en|A mathematician may say anything he pleases, but a physicist must be at least partially sane}} — R. B. Lindsay. On the Relation of Mathematics and Physics, The Scientific Monthly, Dec 1944, 59, 456</ref>), но, в то же время, изолированно от изучающих вещество химиков, при всём совершенстве, преимуществах и универсальности своих аппаратов ни физики ни математики, конечно, строить свои исследования не могут.

Взаимодействие представителей этих дисциплин наблюдается и в дальнейшем развитии темы. Открытие [[Периодический закон#Внутренняя и вторичная периодичность|вторичной периодичности]] [[Бирон, Евгений Владиславович|Е. В. Бироном]] (1915) дало ещё один аспект в понимании вопросов, связанных с закономерностями строения электронных оболочек. [[Щукарев, Сергей Александрович|C. А. Щукарев]], ученик Е. В. Бирона и [[Вревский, Михаил Степанович|М. С. Вревского]], одним из первых ещё в начале 1920-х годов высказал мысль о том, что «периодичность есть свойство, заложенное в самом ядре».

При том, что полной ясности в понимании причин вторичной периодичности нет до сих пор, существует взгляд на эту проблему, подразумевающий то, что одной из важнейших причин этого феномена является открытая С. А. Щукаревым [[кайносимметрия]] — первое проявление орбиталей новой симметрии ({{lang-grc|καινός||новый}} и {{lang-grc2|συμμετρία||симметрия}}; «кайносимметрия», то есть «новая симметрия»). [[Кайносимметрики]] — водород и гелий, у которых наблюдается орбиталь ''s'', — элементы от [[Бор (элемент)|бора]] до [[неон]]а (орбиталь — ''р''), — элементы первого переходного ряда от [[Скандий|скандия]] до [[цинк]]а (орбиталь — ''d''), а также — [[лантаноиды]] (термин предложен С. А. Щукаревым, как и [[актиноиды]]) (орбиталь — ''f''). Как известно, элементы, являющиеся кайносимметриками, во многих отношениях имеют физико-химические свойства, отличные от свойств других элементов, принадлежащих к той же самой подгруппе.

Ядерная физика дала возможность снять противоречие, связанное с «запретом» [[Прандтль, Людвиг|Людвига Прандтля]]<ref>«Запрет» действовал в отношении «открытого» [[Ноддак, Вальтер|В. Ноддаком]] и [[Таке, Ида|И. Таке]] «мазурия»</ref>. В 1920-е же годы С. А. Щукарев сформулировал правило изотопной статистики, которое гласит, что в природе не может быть двух стабильных [[Изотопы|изотопов]] с одинаковыми массовым числом и зарядом атомного ядра, отличающихся на единицу — один из них обязательно [[Радиоактивность|радиоактивен]]. Законченную форму эта закономерность приобрела в 1934 году благодаря австрийскому физику [[Маттаух, Йозеф|И. Маттауху]], и получила имя [[Правило запрета Маттауха-Щукарева|правила запрета Маттауха-Щукарева]].<ref>{{Cite web |url=http://n-t.ru/ri/ps/pb043.htm |title=Технеций — Популярная библиотека химических элементов |access-date=2009-10-05 |archive-date=2009-03-03 |archive-url=https://web.archive.org/web/20090303145759/http://n-t.ru/ri/ps/pb043.htm |url-status=live }}</ref><ref>С. И. Венецкий О редких и рассеянных. Рассказы о металлах.: М. Металлургия. 1980 — Возрождённый «динозавр» (технеций). С. 27</ref>

== См. также ==
* [[Список химических элементов по электронной конфигурации]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* С. А. Щукарев. О строении вещества. Природа, 1922, № 6-7, 20-39
* С. А. Щукарев. О периодичности свойств электронных оболочек свободных атомов и об отражении этой периодичности в свойствах простых тел, [[Химическое соединение|химических соединений]] и растворов электролитов. Вести. ЛГУ, 1954, № 11, 127—151
* Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики. 5-е изд. Наука, 1976. — 664с.
* {{Книга:Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.: Квантовая механика|1989}} — § 67
* Боум А. Квантовая механика: основы и приложения. М.: Мир, 1990. — 720с.
* Фаддеев Л. Д., Якубовский О. А. Лекции по квантовой механике для студентов-математиков. Издательство Ленинградского университета, 1980. — 200с.

[[Категория:Квантовая химия]]
[[Категория:Квантовая механика]]
[[Категория:Атомная физика]]
[[Категория:Молекулярная физика]]
[[Категория:Электрон]]