ТАВСИФИ ҲОЛАТИ ЭЛЕКТРОНҲО ДАР АТОМ ДАР АСОСИ МЕХАНИКАИ КВАНТӢ

     Сохти атому молекулаҳо, моддаҳои содда ва мураккаби аз онҳо таркибёфтаро дар асоси назарияи зарраҳои хурд механикаи квантӣ фаҳмидан мумкин аст. Албатта, механикаи квантӣ назарияи бисёр мураккаб аст ва онро наметавонем ба шумо пешниҳод намоем. Вале барои он, ки шумо сохти электронии атомро донед ва дар асоси он Қонун ва системаи давриро дуруст фаҳмед, мо соддатарин маълумотҳои заруриро аз механикаи квантӣ меорем.
     Пеш аз он ки ба тавсифи ҳолати электрон дар асоси назарияи механикаи квантӣ гузарем, баъзе маълумотҳоро аз курси физика ба хотир меорем. Дар физика ҳолати ҷисмро бо координатҳо ва суръати он дар лаҳзаи додашудаи вақт муайян мекунанд. Координатҳои ҷисм мавқеи ҷисмро дар фазо муайян мекунанд. Суръати ҷисм тагйирёбии координатҳои ҷисм дар воҳиди вақт аст. Вобастагии координатҳои ҷисм аз вақт дар асоси ҳалли муодилаи ҳаракати ҷисм муайян карда мешавад. Шумо бо қонуни асосии динамика Қонуни дуюми Нютон шиносед. Агар қувваҳои ба ҷисм таъсиркунанда маълум бошанд, он гоҳ дар асоси ин қонун ҳолати (координатаҳо ва суръати) ҷисмро барои лаҳзаи дилхоҳи вақт ёфта метавонем.
     Шумо аз курси физика медонед, ки ҳаракати ҷисм бо бузургиҳои физикӣ аз чумлаи энергия, импулс, гаштовари импулс ва ғайра пурра тавсиф карда мешавад. Вобастагии ҳолати ҷисмро аз вақт дониста, қиммати ин бузургиҳоро барои лаҳзаи дилхоҳи вақт ёфта метавонем. Бояд як хусусияти хоси физикаи классикиро махсус қайд намоем. Дар физикаи классикӣ ҳамаи бузургиҳои ҳолати ҷисмро тавсифкунанда қиматҳои бефосила мегиранд.
     Механикаи квантӣ ин физикаи зарраҳои бисёр хурд буда, ҳолат ва қонунҳои ҳаракати ин зарраҳоро меомӯзад. Дар механикаи квантӣ ҳолати зарра ба воситаи функсияи мавҷӣ, ки функсияи координатаҳои фазоии зарра ва вақт мебошад, тавсиф карда мешавад. Квадрати функсияи мавҷӣ ин зичии эҳтимолияти ёфтани зарра дар нуқтаи додашудаи фазо ва лаҳзаи додашудаи вақт мебошад. Ҳар як функсияи мавҷӣ бо энергияи муайян тавсиф карда мешавад. Дар механикаи квантӣ ёфтани функсияи мавҷии зарра ва энергияи мувофиқи он масъалаи асосӣ мебошад. Онҳоро аз муодилаи Шрёдингер, ки муодилаи асосии механикаи квантӣ мебошад, меёбанд. Вобаста ба табиати майдони қуввагие, ки ба зарра таъсир мекунад, зарра ба замми энергия боз дорои қиммати муайяни бузургиҳои дигари физикӣ низ мебошад. Хусусияти хоси механикаи квантӣ аз он иборат аст, ки дар аксарияти ҳолатҳо, энергия, импулс, гаштовари импулс ва дигар бузургиҳои ҳаракати зарраро тавсифкунанда қимати бефосила не, балки қиматҳои канишдор мегиранд. Ин имконият медиҳад, ки қимматҳои мушаххаси ин бузургиҳоро аниқ надониста, онҳоро ба як тартиб биёрем. Яъне, қиматҳои ин бузургиҳоро бо ададҳои том рақамгузорӣ кардан мумкин аст, ки онҳоро ададҳои квантӣ меноманд.
     Ҳамин тавр, дар механикаи квантӣ ҳолати квантии зарра ин тасвири зарра ба воситаи функсияи мавҷии бо ададҳои квантӣ тавсифёфта мебошад.
    Акнун ба тавсифи ҳолати электрон дар атом мегузарем. Ҳаракати электронро дар атом дар мисоли атоми ҳидроген, ки соддатарин атом аст, дида мебароем. Электрон дар атоми ҳидроген дар майдони кулонии ядрои атом (протон) ҳаракат мекунад. Муодилаи Шрёдингер барои электрон дар майдони кулонӣ пурра ҳал карда шудааст ва функсияҳои мавҷӣ ва энергияҳои мувофиқи он ёфта шудаанд. Квадрати ин функсияҳои мавҷӣ зичии эҳтимолияти ёфтани электрон дар ин ё он нуқтаи атрофи ядрои атом мебошад. Абрҳои электроние, ки шумо омӯхта будед, тасвири фазоии ҳамин функсияҳои мавҷӣ мебошанд.
     Ҳалли муодилаи Шрёдингер нишон дод, ки дар баробари энергия дар майдони кулонӣ инчунин квадрати гаштовари импулс ва яке аз проексияи он қимати муайян доранд. Пас, ҳолати электронро дар атом бо ададҳои квантии онҳо тавсиф кардан мумкин аст. Ҳамин тавр, ҳолати электронро дар атом бо ададҳои квантии зерин тавсиф менамоянд:

- адади квантии асосӣ (n), қиматҳои имконпазири энергияи электронро дар атом муайян мекунад. Вай танҳо қиматҳои мусбати томро қабул мекунад (n = 1, 2, ..., ∞);
- адади квантии мадорӣ (1). Адади квантии мадорӣ қимати квадрати гаштовари импулси электронро дар ҳолати додашуда муайян мекунад. Қиматҳои имконпазири он танҳо қиматҳои мусбати том қабул карда, бо адади квантии асосӣ маҳдуд карда мешаванд. Дар ҳолати ба n баробар будани адади квантии асосӣ адади квантии мадорӣ қиматҳои томро аз 0 сар карда то n-1 қабул карда метавонад;
- адади квантии магнитӣ (m). Ин адади квантӣ қимати имконпазири проексияи вектори гаштовари импулси электронро дар самти интихобӣ муайян мекунад. Ин адади квантӣ низ қиматҳои том қабул мекунад, вале қиматҳои имконпазири ин адад бо адади мадорӣ маҳдуд карда мешаванд. Дар ҳолати ба 1 баробар будани адади квантии мадорӣ адади квантии магнитӣ қиматҳои томро аз -1 то 1, аз ҷумла 0-ро, қабул карда метавонад. Масалан, агар 1 =1 бошад, қиматҳои имконпазири m - 1, 0, 1 мебошанд. Бинобар ин ба ҳар як қимати адади квантии мадорӣ (1) 21+1 қимати адади квантии магнитӣ рост меояд;
- адади квантии спинӣ (s). Адади квантии спинӣ қимати имконпазири спини (гаштовари импулси ҳусусии) электронро дар самти интихобӣ муайян мекунад. Вай танҳо ду қимати имконпазир дорад: +1/2 ва 1/2. Бар хилофи дигар ададҳои квантӣ, ки тавсифкунандаи ҳолати электрон дар майдони додашудаи қувваҳо мебошанд, адади квантии спинӣ бузургии хоси электрон, аз қабили масса ва заряди электрикӣ, мебошад.
     Ҳолати квантии электрон дар атом, ки бо 4 адади квантии дар боло нишон додашуда тавсиф карда мешавад, савияи энергӣ номида мешавад.
     Азбаски n қимати дилхоҳи том гирифта метавонад, бинобар ин миқдори савияҳои энергӣ дар атом беохир аст. Вале ба ин нигоҳ накарда электронҳо дар савияҳои энергӣ бо як тартиби муайян ҷойгир мешаванд.
     Акнун тартиби ҷойгиршавии электронҳоро дар савияҳои энергӣ дида мебароем. Электронҳо ҳангоми ҷойгиршавиашон дар савияҳои энергӣ ба яке аз қонунҳои умдатарини табиат, принсипи энергияи камтарин риоя мекунанд. Қонуни мазкур барои электронҳо чунин маъно дорад: электронҳо дар савияҳои энергӣ тарзе ҷойгир мешаванд, ки дорои энергияи камтарин шаванд.
    Энергияи савияи энергӣ танҳо аз адади квантии асосӣ вобаста аст (албатта дар ҳолати умумӣ, дар мавриди ба ҳисоб гирифтани таъсири мутақобили электронҳо ва омилҳои дигар энергияи савия метавонад аз дигар ададҳои квантӣ ва ё комбинатсияи онҳо вобаста бошад, вале аз ин вобастагӣ сарфи назар мекунем). Дар ин ҳолат электронҳо кӯшиш менамоянд, ки савияи энергияаш аз ҳама пасттаринро (n = 1) ишғол намоянд. Вале қонуни бунёдие мавҷуд аст, ки миқдори электронҳоро дар як савияи энергӣ маҳдуд мекунад. Ин қонун принсипи Паули ном дорад ва таърифи он чунин аст.
     Дар як савияи энергӣ (ҳолати квантӣ) на зиёдтар аз як электрон ҷойгир шуда метавонад.
Ин принсип имконият медиҳад, ки микдори савияҳои энергии электрониро (N), ки ба қимати додашудаи адади квантии асосӣ n рост меояд, муайян кунем: N=2n²
    Дурустии ин формуларо бо мисолҳо нишон медиҳем. Агар n = 1 бошад, он гоҳ l = 0, m = 0 мешавад. Пас барои адади квантии n = 1 танҳо ду савияи энергӣ дорем, ки бо адади квантии спиниашон фарқ мекунанд. Ҳангоми n = 2 будан миқдори савияҳои энергие, ки ба қиматҳои гуногуни он рост меоянд, ба 8 баробар мешавад. Дар ҳақиқат

     Аз сабаби он, ки электронҳо дар савияҳои энерги бо тартиби муайян ҷойгир мешаванд, ин савияҳои энергиро дар асоси ададҳои квантӣ табақабандӣ кардан мумкин аст.
   Он савияҳои энергие, ки дорои ҳамон як адади асосии квантӣ мебошанд, қабатҳои электрониро ташкил мекунанд. Қабати электронӣ бо ададе, ки ба қимати адади асосии квантиаш баробар аст, ишора карда мешавад. Қабатҳои электронӣ дар навбати худ ба қишрҳо таксим мешаванд.
     Он савияҳои энергии кабати электронӣ, ки дорои ҳамон як адади квантии мадорӣ мебошанд, қишри электронӣ номида мешаванд. Қишрҳои электронӣ бо ҳарфҳои лотинӣ ишора карда мешаванд: l = 0 бо s, l = 1 бо p, l = 2 бо d, l = 3 бо f, l = 4 бо g ва ғайраа.
    Дар атом ҷойгиршавии электронҳоро дар қабатҳо ва қишрҳо бо формулаи муайян нишон медиҳанд, ки он конфигуратсияи электронии атом номида мешавад. Дар ин формула, агар электронҳо дар якчанд қабат ҷойгир шуда бошанд, аввал ишораи қабати электронии поёнтарин навишта мешавад, сипас ишораи қишрҳои ин қабат бо нишон додани миқдори электронҳои он дар қисмати болои тарафи рости қишр нишон дода мешавад ва ин амалиёт барои дигар қабатҳо такрор карда мешавад. Масалан, конфигуратсияи электронӣ барои литий чунин намуд дорад: Is²Is¹. Конфигуратсияи электронии дигар элементҳоро ҳангоми омӯхтани системаи даврӣ дида мебароем.