Pilvemudel

Niisiis, proovime nüüd, kus me omame arusaama elektronide lainelistest omadustest, uuesti mudeldada aatomit.

On selge, et me ei saa rääkida elektronist aatomis kui kindla kuju ja mõõtmetega objektist – järelikult ei saa me ka rääkida elektroni liikumisest mingit orbiiti mööda.

Osutub, et Bohr’i poolt kirjeldatud elektronide „orbiitide“ asemel, peame kirjeldama leiulaineid, mis levivad ümber aatomituuma. Tuumaga seotud elektroni leiulaine on kui seisulaine, mis saab tuuma ümbritsedes teha ainult kindla täisarvu võnkeid – mida lähemal on elektron tuumale, seda vähem võnkeid „orbiidile“ mahub.

Niisiis, kui tahta visualiseerida aatomis liikuvat elektroni, peaksime seda ette kujutama omalaadse pilvena, mille kuju sõltub elektroni ergastatuse astmest (energiast). Pilv on seda „tihedam“ (leiulaine amplituud on seda suurem), mida suurem tõenäosus meil tuumast vastaval kaugusel on elektroni leida.

Seega oleks õigem sõnapaari „elektroni orbiit“ asemel kasutada mõistet „elektroni olek“. Kuna elektroni olekul saavad olla vaid kindlad, see tähendab kvanditud väärtused, oleks veelgi täpsem nimetada seda „elektroni kvantolekuks“.

Aatomi kvantarvud

Elektroni olekut kirjeldatakse nelja kvantarvuga:

(1) Peakvantarv (n) loendab elektronkihte aatomis – seetõttu saab ta omada ainult naturaalarvulisi väärtusi: n = 1, 2, 3 …. N Mida väiksem on peakvantarv, seda lähemal on elektron tuumale. Seevastu tuumast kaugemal, suuremate peakvantarvudega elektronidel, on jälle suurem leiulaine amplituud – ehk tõenäosus elektroni „tabada“ on seal suurem.

(2) Alamkvantarv (l) määrab ära mitu elektroni mingis kihis olla saab. Mida kaugemal on leiulaine tuumast, seda rohkem elektrone sinna „mahub“. Kuna alamkvantarv loendab „osakesi“, saab ka tema omada vaid naturaalarvulisi väärtusi: l = 0, 1, 2, 3 …. N-1

(3) Magnetkvantarv (m) iseloomustab ümber tuuma „liikuva“ elektroniga seotud mikrovoolu magnetvälja. Magnetkvantarv võib omada väärtusi m = 0, ±1, ±2, ±3 … l – ± tuleb kvantarvu ette sellest, et ühel ja samal nivool paiknevate elektronide magnetväli võib olla vastassuunaline.

(4) Spinni (s) kirjeldatakse sageli kui elektroni „pöörlemist“, aga kuna elektroni puhul ei saa me rääkida pöörlevast kerakesest, siis pole selline kirjeldus täpne. Siiski – nagu pöörlemine saab toimuda päri- ja vastupäeva, saab ka spinnil olla kaks vastandarvulist väärtust +½ ja –½.

Makromaailmas kehtis tõrjutusprintsiip, mis keelas ühes ja samas ruumipunktis samaaegselt olla mitmel ainelisel objektil – selleks, et asetada raamat laual kohale, kus on juba ees teine raamat, tuleb see sealt eelnevalt ära võtta.

Mikromaailmas on tõrjutusprintsiip sõnastatud kvantarvude kaudu. Elektronide kohta aatomis kõlab see järgmiselt: aatomis ei saa olla kahte sama kvantarvude komplektiga elektroni.

Kui Dmitri Mendelejev 1870. aastal kirjeldas keemiliste elementide perioodilisussüsteemi, oli see tuletatud empiiriliselt – vaatlusandmetele tuginedes. Osutub, et võttes appi kvanditud aatomi, saame põhjendada miks mingi aatom mingisse rühma kuulub.

I rida sisaldab elemente, mille peakvantarvu väärtus on n=1. Kuna sellel „kaugusel“ on ruumi maksimaalselt kahele vastandspinnidega elektronile – spinnid vastavalt +½ ja –½, siis „mahuvadki“ esimesse ritta elemendid, milles on 1 (vesinik) või 2 (heelium) elektroni.

Teise ritta kuuluvate elementide peakvantarvu väärtus n=2 – järelikult esimesele kihile „mahub“ maksimaalselt kaks elektroni, teise saab aga juba jagada kaheks alamkihiks, millest esimesele „mahub“ kaks, aga teisele juba kuus elektroni – kokku teise kihti 8 elektroni jne. Seega on teises reas elemendid, milles on 3 … 10 elektroni

Elektronide alamkihte tähistatakse ka väiketähtedega s, p, d, f ja g – nii saab elektronide paiknemist kihtides kirjeldada elektronvalemiga – arv kihi tähise ees näitab peakvantarvu ehk elektronkihtide arvu, number tähe astendajas elektronide arvu alamkihis: H => 1s¹; He => 1s²; Li => 1s²2s¹; Be => 1s²2s², B => 1s²2s²p¹; jne. Kõige viimases kihis sisalduvate elektronide arv (mis määrabki ära elemendi keemilised omadused) tuleneb sellest, millisesse rühma keemiline element kuulub. I rühma kuuluvad elemendid, mille väliskihis on 1 elektron, II rühma need, milles on 2 … kuni XII rühmani, mille väliskihis on 12 elektroni. XVIII rühmas on elemendid, mille viimane elektronkiht on elektronidega täidetud, XVII rühmas on väliskihist puudu 1 elektron, XVI on puudu juba 2 jne.