Четыре буквы атомного алфавита.

Эти буквы обозначаются так: n , l , m_l , m_s – и на языке атомной физики называются квантовыми числами. Исторически они вводились постепенно, и их возникновение в значительной степени связано с изучением атомных спектров.

Так вот оказывается, что состояние любого электрона в атоме можно записать особым шифром, представляющим собой комбинацию четырёх квантовых чисел. Это не просто какие-то отвлечённые величины, используемые для записи электронных состояний. Напротив, все они имеют реальное физическое содержание.

Число п входит в формулу для ёмкости электронной оболочки (2п²), т. е. данное квантовое число п соответствует номеру электронной оболочки; иными словами, это число определяет принадлежность электрона к данной электронной оболочке.

Число п принимает только целочисленные значения: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,…, отвечающие соответственно оболочкам: K, L, M, N, O, P, Q.

Поскольку п входит в формулу для энергии электрона, то говорят, что главное квантовое число определяет общий запас энергии электрона в атоме.

Другая буква нашего алфавита – орбитальное (побочное) квантовое число – обозначается как l . Оно было введено, чтобы подчеркнуть неравноценность всех электронов, принадлежащих данной оболочке.

Каждая оболочка подразделяется на определённые подоболочки, причём их число равно номеру оболочки. Т. е. К-оболочка (п=1) состоит из одной подоболочки; L-оболочка (п=2) – из двух; М-оболочка (п=3) – из трёх подоболочек…

И каждая подоболочка данной оболочки характеризуется определённой величиной l. Орбитальное квантовое число принимает также целочисленные значения, но начиная с нуля, т. е. 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6… Таким образом, l всегда меньше п. Легко понять, что при п=1 l=0;при n=2   l=0 и 1; при n =3   l =0, 1 и 2 и т. д. Число l , если можно так выразиться, имеет геометрический образ. Ведь орбиты электронов, принадлежащих к той или иной оболочке, могут быть не только круговые, но и эллиптические.

Разные значения l и характеризуют различные типы орбит.

Физики любят традиции и предпочитают для обозначения  электронных подоболочек старые буквенные обозначения s ( l =0), p ( l =1), d ( l =2), f ( l =3). Это первые буквы немецких слов, характеризующих особенности серий спектральных линий, обусловленных переходами электронов: резкая, главная, размытая, фундаментальная.

Теперь можно кратко записать, какие электронные подоболочки содержатся в электронных оболочках (таблица 2).

Табл. 2.

Знать сколько электронов вмещают различные электронные подоболочки помогают определить третье и четвёртое квантовые числа – m_l и m_s, которые носят названия магнитного и спинового.

Магнитное квантовое число m_l тесно связано с l и определяет, с одной стороны, направление расположения этих орбит в пространстве, а с другой – их число, возможное для данного l. Из некоторых закономерностей атомной теории следует, что при данном   l квантовое число m_l, принимает 2l+1 целочисленных значений: от – l до +l, включая нулевое. Например, для l=3 вот какую последовательность m_l мы имеем: - 3, - 2, - 1, 0, +1, +2, +3, т. е. всего семь значений.

Почему m_l называется магнитным? Каждый электрон, вращаясь на орбите вокруг ядра, по существу, представляет собой один виток обмотки, по которому идёт электрический ток. Возникает магнитное поле, поэтому каждую орбиту в атоме можно рассматривать как плоский магнитный листок. При нахождении внешнего магнитного поля каждая электронная орбита будет с этим полем взаимодействовать и стремиться занять в атоме определённое положение.

Число электронов на каждой орбите определяется значением спинового квантового числа m_s.

Поведение атомов в сильных неоднородных магнитных полях показало, что каждый электрон в атоме ведёт себя как магнитик. А это свидетельствует, что электрон вращается вокруг своей собственной оси, словно планета на орбите. Это свойство электрона получило название «спин» (в переводе с английского – вращать). Вращательное движение электрона постоянно и неизменно. Вращение электрона совершенно необычно: ни замедлить, ни ускорить, ни остановить его нельзя. Оно одинаково для всех электронов в мире.

Но хотя спин – общее свойство всех электронов, в нём также заключена причина различия между электронами в атоме.

Два электрона, вращаясь на одной и той же орбите вокруг ядра, обладают одним и тем же спином по величине, и всё же они могут различаться направлением собственного вращения. При этом изменяется знак момента количества движения и знак спина.

Квантовый расчёт приводит к двум возможным значениям спиновых квантовых чисел, присущих электрону на орбите: s=+  и s= - . Других значений быть не может. Поэтому в атоме на каждой орбите могут вращаться либо только один, либо два электрона. Больше быть не может.

Каждая электронная подоболочка максимально вмещает 2(2l +1)- электронов, а именно (таблица 3):

Табл. 3.

Отсюда простым сложением получаются ёмкости последовательных оболочек.

Удивительна простота основного закона, к которому свелась первоначальная бесконечная сложность строения атома. Вся прихотливость поведения электронов в его внешней оболочке, управляющая всеми его свойствами, может быть выражена необычайно просто: в атоме нет и не может быть двух одинаковых электронов. Этотзакон известен в науке как принцип Паули (по имени швейцарского физика-теоретика).

Зная же общее число электронов в атоме, которое равно его порядковому номеру в менделеевской системе, можно «строить» атом: можно рассчитать структуру его внешней электронной оболочки – определять, сколько в ней электронов и какие они в ней.