Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

У элементов начиная со ртути подоболочка 5d заполнена, подоболочки 5f и 5g остаются нетронутыми, а заполняется подоболочка 6p. Налицо такое же, как у элементов от бора до неона, соотношение электронов на s и p.

Радон является благородным газом.

Остаются еще подоболочки 5f (14 электронов), 5g(18), 6d (10), 6f (14), 6g (18) и 6h (22). Все они перекрывают подоболочку 7s.

У следующих элементов электронные подоболочки заполняются так же, как и у лантаноидов.

Элементы от актиния до лавренция называются актиноидами. Хотя элемент с атомным числом 104 пока не открыт, у ученых есть все основания полагать, что его 104-й электрон займет подоболочку 6d, а химические свойства самого элемента будут схожи с гафнием.

Теперь становится очевидным, что в периодической таблице элементы расположены согласно размещению электронов на электронных оболочках их атомов.

Итак, теория электронных оболочек и подоболочек объяснила феномен периодической системы и свойства лантаноидов, однако модель атома Бора, даже модифицированную Зоммерфельдом, она спасти не смогла. Попытка ученых представить атом в виде совокупности ядра и вращающихся вокруг него по орбитам электронов (пусть даже и гораздо более сложным, чем у космических тел) окончилась полным провалом.

В начале 1920-х годов понятие орбиты было заменено понятием энергетического уровня. Электроны переходят с одного энергетического уровня на другой, а разница между энергетическими уровнями определяет размер выделяемого или поглощаемого кванта (в данном случае частоту излучения).

В 1925 году немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976) разработал систему численного обозначения энергетических полей. Все числа были внесены в матрицы, что давало возможность применять к ним правила матричной алгебры. Для точного расчета спектральных линий достаточно было лишь внести в матрицу данные об атоме (матричная механика). При таком подходе атом становился лишь набором цифр, и поэтому никакая модель атома вообще была не нужна.

Энергетические уровни простого атома можно изобразить несколькими простыми линиями на определенном расстоянии от схематического рисунка атомного ядра. Два электрона с противоположными спинами могут занимать любой энергетический уровень, а также переходить на любой другой свободный или частично свободный энергетический уровень, однако в промежутках между линиями электроны находиться не могут. Эти промежутки получили название запрещенная энергетическая зона. Конечно же размеры линий и промежутков для каждого элемента уникальны.

Все становится сложнее, когда два атома элемента располагаются в непосредственной близости. В этом случае внешние электронные уровни этих атомов сливаются в один. Соответственно относительно каждого атома количество электронов на внешнем уровне удваивается. Но так как на одном электронном уровне электроны с одинаковыми спинами находиться не могут, то внешние энергетические уровни этих атомов вместе со своими электронами немного отодвигаются друг от друга: один становится выше, другой — ниже.