Атом водорода в квантовой механике

Поговорим о простейшем атоме — атоме водорода. Все характеристики его стационарных состояний (энергию, момент импульса и некоторые другие) можно вычислить на основе уравнения Шрёдингера и общих принципов квантовой механики — никаких отдельных постулатов для этого не требуется. Для более сложных атомов уравнение Шрёдингера не поддается точному решению, но общие умозаключения все же позволяет делать.

У электрона в атоме не может быть определенной траектории, как это предполагалось в теории Бора. Можно говорить лишь о вероятности нахождения электрона в том или ином месте пространства. Электрон как бы размазан вокруг ядра в виде «электронного облака» той или иной конфигурации. С отличной от нуля вероятностью он даже может находиться в пределах ядра! Но «отщипнуть кусочек» от электронного «облака» невозможно: при любых измерениях мы обнаружим целый электрон.

Области наиболее вероятного пребывания электрона в атоме называют орбиталями. Их изображают в виде трёхмерных рисунков (в изометрической проекции на плоскость). Есть орбитали сферические, гантелеобразные и прочие, еще более сложных форм (см. рис. 1). У них нет четких пространственных границ — строго говоря, они простираются до бесконечности.

Рисунок 1. Примеры (сильно упрощенные) орбиталей различных конфигураций

Орбитали можно уподобить пустым квартирам, в которых может поселиться электрон. Даже в атоме водорода с одним единственным электроном имеется бесконечное число возможных орбиталей. Электрон обычно «живёт» на орбитали, соответствующей самому низкому из возможных значений энергии — такое состояние атома называют основным. Состояния с более высокими значениями энергии называют возбужденными.

Раз у орбиталей нет четких границ, понятие «размера атома» становится весьма условным. За размер атома принимают расстояние, на котором вероятность нахождения электрона максимальна. В этом смысле диаметр атома водорода в основном состоянии равен примерно 0,1 нм (10^-10 м). Но в возбужденных состояниях он может быть в тысячи раз больше!

В многоэлектронных атомах электроны заполняют орбитали, начиная с самых низко-энергетичных, соблюдая запрет Паули: не больше двух электронов (с противоположно направленными спинами) на одной орбитали. Чем больше порядковый номер атома, тем больше в нем электронов и тем большее количество разных орбиталей будет заполнено. Орбитали с близкими значениями энергии группируются в оболочки. Последняя из заполняемых электронами оболочек, наиболее удаленная от ядра, определяет химические свойства элемента.