Почему на каждой орбитали в атоме находятся не более двух электронов?

 

 

     Взглянем на это явление с точки зрения общепринятой теории.

     «Состояние электронов в многоэлектронных атомах определяется принципом Паули: в атоме не может быть двух электронов, все четыре квантовые числа которых были бы одинаковыми.
     Кроме квантовых чисел n, l, m, описывающих движение электрона вблизи ядра атома, существует спиновое квантовое число s. Если электроны находятся на одной орбитали, то у них одинаковы n, l, и m. Следовательно, два электрона на одной орбитали различаются только значением s (+1/2 и –1/2). Отсюда следует, что на одной орбитали может находиться не более двух электронов». (И.Г.Хомченко «Общая химия» стр.38 «Химия» 1987г.)

     Откуда появилось понятие спин?

     «Исследование спектров щелочных металлов при помощи приборов с большой разрешающей силой показало, что каждая линия этих спектров является двойной. Расщепление спектральных линий, очевидно, обусловлено расщеплением энергетических уровней. Для объяснения расщепления уровней Гаудсмит и Уленбек выдвинули в 1925 году гипотезу о том, что электрон обладает собственным моментом импульса, не связанным с движением электрона в пространстве. Этот собственный момент был назван спином.
     Первоначально предполагалось, что спин обусловлен вращением электрона вокруг своей оси. Согласно этим представлениям электрон уподоблялся волчку или веретену. Однако очень скоро пришлось отказаться от подобных модельных представлений. Спин следует считать внутренним свойством, присущим электрону подобно тому, как ему присущи заряд и масса.
     Предположение о спине электрона было подтверждено большим количеством опытных фактов и должно считаться совершенно доказанным. Оказалось также, что наличие спина и все его свойства автоматически вытекают из установленного Дираком уравнения квантовой механики, удовлетворяющего требованиям теории относительности. Таким образом, выяснилось, что спин электрона является свойством одновременно квантовым и релятивистским. Спином обладают также протоны, нейтроны, фотоны и другие элементарные частицы». (И.В.Савельев «Курс общей физики» том 3, стр.106-107 «Наука» 1979г.)

     Итак, для объяснения этого явления вводится дополнительное понятие – спин частицы. Создаётся закон, что так как у электрона спин ½, то на каждой орбитали в атоме может находиться не более двух электронов. Сначала экспериментально устанавливается факт. Потом замечается закономерность и выводится абстрактный закон, без объяснения физической сущности этой закономерности. В квантовой механике такой абстрактный подход к описанию установленных фактов – нормальное явление, так как считается что человеку не хватит воображения, чтобы представить себе явления микромира. Может быть попробуем?

      При рассмотрении устойчивости атома, с точки зрения нашего предположения, было выяснено, что при вращении электрона по орбите сила Лоренца направлена так, чтобы сдвигать его в сторону по орбите. Это происходит из-за того, что при любом другом направлении силы Лоренца электрон должен либо уменьшить, либо увеличить свою орбиту, а тогда должна измениться его скорость. Изменению скорости будет препятствовать возникающая ЭДС самоиндукции, и тогда электрон разворачивает свои полюса так, чтобы ЭДС самоиндукции не возникала. Такому направлению силы Лоренца соответствует такое положение полюсов электрона, когда прямая проведённая через полюса проходит через центр ядра атома. Тогда возникает только две возможности расположения полюсов, либо северным магнитным полюсом к ядру атома, либо южным.
     Рассмотрим, например, атом лития, в ядре которого имеется три протона. Представим ядро и один электрон на первом энергетическом уровне. (На первом энергетическом уровне имеется только одна орбиталь.) Этот электрон вращается вокруг ядра, и сдвигаемый силой Лоренца создаёт объёмность атома. При этом ему ни что не мешает. И вот на эту оболочку попадает ещё один электрон. Что же произойдёт? Оба электрона притягиваются к ядру, причём при одинаковом радиусе орбиты и сила притяжения будет одинаковой. А между электронами возникнет отталкивание. Причём наименьшее отталкивание будет на расстоянии два радиуса, то есть электроны будут находиться на прямой, проходящей через них и центр ядра. Тогда притяжение электронов к ядру будет одинаковым, а отталкивание между ними минимальным. Чтобы расстояние между электронами всегда было два радиуса, они должны двигаться друг за другом по орбите с одинаковой скоростью. Скорость у них одинакова, так как они находятся на одной орбите, следовательно это условие выполнено. Теперь будем учитывать силу Лоренца. Если у электронов одноимённые полюса обращены к ядру, то и смещение будет направленно в одну сторону по сферической орбите и расстояние между ними будет уменьшаться. При обращении к ядру разноимёнными полюсами, смещение будет направленно в разные стороны. А так как смещение у электронов на одной орбите будет одинаковым, то и расстояние между электронами будет постоянным. Тогда электрон, первым попавший на орбиту, располагает полюса произвольно, выбирая между двух вариантов. Электрон, попавший на орбиту вторым, уже такого выбора сделать не может, ему достаётся второй возможный вариант расположения полюсов.
     При попадании на эту орбиту третьего электрона равновесие исчезает и одному из них придётся покинуть орбиту. Действительно, при трёх и более электронах на орбитали невозможно чтобы расстояния между ними были равными и постоянными, и поэтому такое состояние неустойчиво. Где тогда будет находиться третий электрон? Он будет вращаться по другой, большей орбитали, так как между ним и ядром уже находиться другая орбиталь с электронами, которые будут ослаблять притяжение к ядру. И тогда равновесие сил притяжения и ЭДС самоиндукции будет на другом, большем расстоянии от ядра, следовательно скорость движения электрона на этой орбитали будет меньшей.
     Мы рассмотрели возможность поведения электронов на s-орбитали. Аналогичным образом события должны происходить и на других орбиталях. Их устойчивость с двумя электронами на орбите возможно только при определённых расположениях полюсов к поверхности орбиты.