Атомите са съставени от ядро, съдържащо неутрони и протони, заобиколени с електрони. Електроните не се движат по определена траектория. Един електрон може да бъде във всяка част на околоядреното пространство, можем да говорим само за вероятност, възможност позицията му да е на определено разстояние от ядрото. Електронните орбитали са области в рамките на атома, където има най-голяма вероятност електроните да бъдат намерени.

В един атом има множество електронни орбитали. Всяка от тях има свое собствено енергийно ниво, свързано с нея и с нейните качества. Тъй като всяка орбитала е различна, тя е свързана с конкретни квантови числа : 1s, 2s, 2p 3s, 3p,4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p

Четири квантови числа

Квантовите числа са набор от стойности на квантови променливи, позволяващи да се определи количествено състоянието на една частица .

Всякo квантово число показва някаква характеристика на електроните в един атом, която определя движението на електрони като вълнова функция, описвана от уравнението на Шрьодингер.

Състоянието на електрона в атома еднозначно се определя от набор от 4 квантови числа:

• главно n = K, L, N, M  ;
• орбитално l = s, p, d, f… , обикновено тези състояния се означават 1s, 2d, 3f;
• магнитно m = 0, ±1, ±2, …  ±l;
• магнитно-спиново m_s = ±1/2

Всеки електрон в атом има уникален набор от квантови числа. Според принципа на изключване на Паули, не може два електрона да имат една и съща комбинация от четирите квантови числа.

Главно квантово число (n)

Главното квантово число n е номерът на енергийното ниво (и на електронния слой) и характеризира енергията на електроните, които заемат тази енергийно ниво. То описва най-вероятното разстояние на електроните от ядрото, колкото по-голямо е n, толкова е по-далече са електроните от ядрото. С увеличаване на главното квантово число се увеличава енергията на електрона.

Главното квантово число n е цяло положително число, започвайки от 1, като n = 1 определя най-вътрешната обвивка:

n = 1,2,3, и т.н.

Квантово число (ℓ ) – орбитален ъглов момент

Квантовото число (ℓ ) – орбитален ъглов момент определя ъгловото разпределение на електроните и от там – формата на орбиталата. Броят на ъгловите възли е равен на стойността на квантовото число орбитален ъглов момент ℓ. Стойността на ℓ е зависима от главното квантово число n. Квантовото число орбитален ъглов момент може да бъде 0 или положително число, но никога не могат да бъде по-голямо от  n-1. Например ако n=7, ℓ може да има стойност от 0, 1, 2, 3, 4, 5 или 6

ℓ= 0, 1, 2, 3, 4 …, (n-1)

Магнитно квантово число (m_ℓ )

Магнитно квантово число m_ℓ определя броя на орбиталите, колко електрони може да има във всяка орбитала и ориентацията й в рамките на един послой, затова стойността на m_ℓ зависи от квантовото число ℓ. При определено ℓ, m_ℓ може да варира от - ℓ до + ℓ .

m_ℓ= -ℓ, (-ℓ+1),( -ℓ +2),…, -2, -1, 0, 1, 2, … (ℓ – 1), (ℓ– 2), +ℓ

Например, ако n =3 и ℓ = 2, тогава m_ℓ може да бъде: -2, -1, 0, 1, или 2.

Спиново квантово число m_s

Спиновото квантово число m_s характеризира вероятността спинът на електрона да се "върти" около оста си в две противоположни посоки. m_s = ± 1/2. Като ‘+’ е по часовниковата стрелка, а ‘-’ – обратно на часовниковата стрелка. За повече информация, вижте Спин и изоспин. Изоспиновата симетрия.

Обобщение

Разпределението на електроните в атома става по принципа на Паули, който в случая може да бъде формулиран така: в един атом не може да има повече от един електрон с един и същ набор на четирите квантови числа: n, ℓ, m и m _s Z(n, ℓ, m, m_s ) =0 или Z(n, ℓ, m, m_s ) =1, където Z(n, ℓ, m, m_s ) е броя на електроните, намиращи се в квантово състояние, описано от квантовите числа n, ℓ, m и m _s

Максималния брой Z₂ (n, ℓ, m) = 2 , защото спиновото квантово число може да приема само две стойности 1/2 и –1/2 .

Z₃ (n, ℓ) е максималният брой на електроните, намиращи се в състояния, определяеми от две квантови числа n и ℓ:

Z₃ (n, ℓ) = 2 ( 2ℓ + 1)

Векторът на орбиталния момент на импулса на електрона  може да приема в пространството (2ℓ + 1) различни ориентации.

Слоеве, подслоеве, орбитали

Атомите са съставени от ядро, съдържащо неутрони и протони, заобиколени с електрони. Електроните не се движат по определена траектория. Един електрон може да бъде във всяка част на околоядреното пространство, можем да говорим само за вероятност, възможност позицията му да е на определено разстояние от ядрото. Електронните орбитали са области в рамките на атома, където има най-голяма вероятност електроните да бъдат намерени. С други думи, в тях има висока електронна плътност. Пространство извън обхвата на орбитали съответства на малка електронна плътност.

Орбиталите на един подслой (ℓ = const) имат еднаква енергия. Това състояние се нарича изродено. Така р-орбиталата е тройно,  d – петорно, а f  е седемкратно изродена. 2p орбиталите: 2p x имат същото ниво на енергия като 2p y .

Електроните в атома заемат енергийно най-благоприятните атомни орбитали, т.е. тези с най-ниска енергия, образувайки облаци от електрони с определена форма:

Основни типове орбитали. Схема: chemwiki.ucdavis.edu

Слой

Съвкупността на електроните в атома, имащи едно и също главното квантово число n, се нарича електронна обвивка или слой. Стойността на главното квантово число n е нивото на електронния слой. 

Всички орбитали, които имат една и съща стойност n са в един и същи слой. Например, всички орбитали от втори слой имат главно квантово число на n = 2. Когато стойността на n е по-висока, броят на електронните слоеве е по-голям. Това води до по-голямо разстояние между електроните в този слой и ядрото и размерът на атома е по-голям. Защото атомната радиусът се увеличава, електроните са по-далеч от ядрото. Затова атомите с по-голям радиус по-лесно могат да емитират електрон, защото ядрото не толкова силно го привлича.

Илюстрация: chemwiki

Подслой

Област от пространството, в която с висока вероятност може да се намери електрон, се нарича подслой или орбитала.

Броят на възможните стойности на квантовото число орбитален ъглов момент ℓ. определя броя на подслоевете  в основния електронен слой.

• Когато n=1, ℓ =0 (ℓ има една стойност и по този начин може да има само един подслой)
• Когато n=2, ℓ =0,1 (ℓ има две стойности и по този начин са възможни два подслоя)
• Когато n=2, ℓ =0,1,2 (ℓ има три стойности и по този начин има три възможни подслоя)

След разглеждане на примерите по-горе, се вижда, че стойността на n е равен на броя на подслоевете в основен електронен слой.

Всяка стойност на ℓ показва специфични  s, p, d, f  подслоя, всеки уникален по форма. Всяка буква е свързана със специфична ℓ стойност:

Във всеки от слоевете (обвивките) на електроните се разпределят по подслоеве, отговарящи на дадено ℓ . Тъй като орбиталното квантово число варира от 0 до n-1, броят на подслоевете е равен на поредния номер n на слоя. Броят на електроните в подслоя се определя от магнитното и магнитно-спиновото квантово число: максималният брой на електроните в подобвивка с дадено ℓ е 2 ( 2ℓ + 1) ). Означенията на слоевете и разпределението на електроните по слоеве и подслоеве са дадени в таблицата

Валентния слой

Както вече знаем, къде точно е електрона е неизвестно, но знаем как изглежда и какъв е размерът орбиталата му. И тъй като всички вътрешни слоеве на атома са стабилни, то външната обвивка прави всички обмени на енергия. Така електрически и химически елементите се определят от тази външна обвивка и нейната склонност да отдаде или приеме електрони отределят валентността на атома.

Но от гледна точка на химическата активностност, най-слабо активни са атомите, чиято валентна обвивка е изцяло запълнена – такива са инертните газове. Най-високата химическа активност имат атомите, чиято валентна обвивка се състои само от един електрон (алкалните метали) и атомите, в които не достига един електрон, за да се запълни последната обвивка (халогенните елементи).

Всъщност, поведението на атомите в химичните реакции се определя от електроните, които имат по-висока енергия, което означава, електроните, които са по-далече от ядрото. Електроните на вътрешните обвивки на подслоевете имат по-ниска енергия от електроните на външните подслоеве.

Периодичната таблица на Шарл Жане

През 1929 г. френският физик Шарл Жане (Charles Janet) публикува книгата си, "Обсъждания на устройството на атомното ядро" , в която той предложил интересна алтернатива на периодичната таблица на елементите.

Илюстрации: meta-synthesis.com
	Шарл Жане преложил химичните елементи да се подредят по спирала по повърхността на четири вложени цилиндри. Чрез различни геометрични трансформации, той стига до няколко впечатляващи решения, едно от които е неговата лява Менделеева таблица, в която водород и хелий са поставени над литий и берилий .

Периодичната таблица на Шарл Жане се основава на отскоро развиващата се квантова механика, а не на електронната валентност, тя организира елементите в зависимост от реда, в който електроните запълват атомните орбитали и неговата версия е най-широко използвана от физиците.

Жане събира съседни групи от периодичната таблица в блокове.Всеки блок е кръстен на орбиталата, която го характеризира:

• s-блок
• p-блок
• d-блок
• f-блок
• g-блок (хипотетичен)

Таблицата, която предлага Жане се различава от стандартната таблица по подредбата на блоковете – от дясно на ляво s, p, d, f , а първият период съдържа четири елемента.

Илюстрация: sciexplorer

Таблицата на Шарл Жане е много логична и ясна, о не отделят метали от неметали, както и Менделеев версия, и хелий е проблем химически.
Източник:Принцип на Паули, обяснение на периодичната система на химичните елементи, Ваньо Георгиев, 2005 г Electronic Orbitals, chemwiki Quantum Numbers, chemwiki Электронное строение атомов. Квантовые числа электрона