Электронная конфигурация

Электронная конфигурация — формула расположения электронов по различным электронным оболочкам атома химического элемента.

С точки зрения квантовой механики электронная конфигурация - это полный перечень волновых одноэлектронных волновых функций, из которых с достаточной степенью точности можно составить полную волновую функцию атома (в приближении самосогласованного поля).

Вообще говоря, атом, как составную систему, можно полностью описать только полной волновой функцией. Однако такое описание практически невозможно для атомов сложнее атома водорода - самого простого из всех атомов химических элементов. Удобное приближенное описание — метод самосогласованного поля. В этом методе вводится понятие о волновой функции каждого электрона. Волновая функция всей системы записывается как надлежащим образом симметризованое произведение одноэлектронных волновых функций. При вычислении волновой функции каждого электрона поле всех остальных электронов учитывается как внешний потенциал, зависящий в свою очередь от волновых функций этих остальных электронов.

В результате применения метода самосогласованного поля получается сложная система нелинейных интегродифференциальных уравнений, которая всё ещё сложна для решения. Однако уравнения самосогласованного поля имеют вращательную симметрию исходной задачи (т.е. они сферически симметричны). Это позволяет полностью классифицировать одноэлектронные волновые функции из которых составляется полная волновая функция атома.

Для начала, как в любом центрально симметричном потенциале, волновую функцию в самосогласованном поле можно охарактеризовать квантовым числом полного углового момента $l$ и квантовым числом проекции углового момента на какую-нибудь ось $m$. Волновые функции с разными значениями $m$ соответствуют одному и тому же уровню энергии, т. е. вырождены. Также одному уровню энергии соответствуют состояния с разной проекцией спина электрона на какую-либо ось. Всего для данного уровня энергии $2(2l+1)$ волновых функций. Далее, при данном значении углового момента можно перенумеровать уровни энергии. По аналогии с атомом водорода принято нумеровать уровни энергии для данного $l$ начиная с $n=l+1$. Полный перечень квантовых чисел одноэлектронных волновых функций из которых можно составить волновую функцию атома и называется электронной конфигурацией. Поскольку все вырожденно по квантовому числу $m$ и по спину, достаточно только указывать полное количество электронов, находящихся в состоянии с данными $n,l$.

Расшифровка электронной конфигурации

По историческим причинам в формуле электронной конфигурации квантовое число $l$ записывается латинской буквой. Состояние с $l=0$ обозначается буквой $s$, $l=1$ — $p$,$l=2$ — $d$,$l=3$ — $f$,$l=4$ — $g$ и далее по алфавиту. Слева от числа $l$ пишут число $n$, а сверху от числа $l$ — число электронов в состоянии с данным $n,l$. Например 2s² соответствует двум электронам в состоянии с $n=2,l=0$. Из-за практического удобства (см. правило Клечковского) в полной формуле электронной конфигурации термы пишут в порядке возрастания квантового числа $n$, а затем квантового числа $l$, например 1s²2s²2p⁶3s²3p². Поскольку такая запись несколько избыточна, иногда формулу сокращают до 1s²2s²p⁶3s²p², т. е. опускают число $n$ там, где его можно угадать из правила упорядочения термов.

Литература

• Л.Д. Фаддеев, О.А. Якубовский Лекции по квантовой механике для студентов-математиков. Изд-во Ленинградского ун-та, 1980
• Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц Теоретическая физика. Т. III Квантовая механика. М., «Наука», 1989, 1998? § 67