2.3 การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

 

2.3 การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

     จากการศึกษาแบบจำลองอะตอมโดยใช้สมการทางคณิตศาสตร์ขั้นสูงที่เรียกว่า

สมการคลื่น คำนวณหาค่าพลังงานของอิเล็กตรอน ทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วย

โปรตอนและนิวตรอนอยู่รวมกันในนิวเคลียส โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบๆ 

และอยู่ในระดับพลังงานต่างกัน อิเล็กตรอนเหล่านั้นอยู่กันอย่างไร 

ในแต่ละระดับพลังงานจะมีจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดเท่าใด

     จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์โดยอาศัยสมบัติที่เป็นคลื่นของอิเล็กตรอน

 และใช้ความรู้เกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม เพื่อนำไปอธิบายโคร้างสร้างอะตอม 

ทำให้ทราบว่าอิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานหรือวาง (shell) ต่างๆ กัน 

และในระดับพลังงานเดียวกันยังมีการแบ่งเป็นระดับพลังงานย่อย (sub shell) ต่างๆ 

ซึ่งกำหนดเป็นตัวอักษร s  p  d  และ  f  ตามลำดับด้วย ตัวอย่างจำนวนระดับพลังงานย่อย

ที่เป็นไปได้ในแต่ละระดับพลังงานตั้งแต่ระดับพลังงานที่  1 - 4  เป็นดังนี้

-ระดับพลังงานที่  1  (n = 1)  มี  1  ระดับพลังงานย่อยคือ s
-ระดับพลังงานที่  2  (n = 2)  มี  2  ระดับพลังงานย่อยคือ s  p
-ระดับพลังงานที่  3  (n = 3)  มี  3  ระดับพลังงานย่อยคือ s  p d
-ระดับพลังงานที่  4  (n = 4)  มี  4  ระดับพลังงานย่อยคือ s  p d  f

     ในกรณีของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน ระดับพลังงานย่อยที่อยู่ในระดับพลังงานเดียวกัน

จะมีพลังงานแตกต่างกันดังแสดงในรูป 1.19 และในแต่ละระดับพลังงานย่อย

จะมีจำนวนออร์บิทัลแตกต่างกันดังนี้
     -ระดับพลังงานย่อย  s  มี  1  ออร์บิลทัล
     -ระดับพลังงานย่อย  p  มี  3  ออร์บิลทัล
     -ระดับพลังงานย่อย  d  มี  5  ออร์บิลทัล
     -ระดับพลังงานย่อย  f  มี  7  ออร์บิลทัล

หลักการบรรจุอิเล็กตรอน

     1.หลักของเพาลี (Pauli exclusion principle) กล่าวว่า “ไม่มีอิเล็กตรอนคู่หนึ่งคู่ใด

ในอะตอมที่มีเลขควอนตัมทั้งสี่เหมือนกันทุกประการ” นั่นคืออิเล็กตรอนคู่หนึ่ง

ในออร์บิทัลจะมีค่า n, ℓ, mℓ เหมือนกันได้ แต่ต่างกันที่สปิน
     2.หลักของเอาฟ์บาว (Aufbau principle) มีวิธีการดังนี้

          2.1. สัญลักษณ์วงกลม O หรือ _ แทน ออร์บิทัล
               ลูกศร ↑↓ แทน อิเล็กตรอน 1 ตัว ที่สปิน ขึ้น-ลง ↑↓ เรียกว่า อิเล็กตรอนคู่ 

(paired electron)
          2.2. บรรจุอิเล็กตรอนเข้าไปในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานต่ำจนครบจำนวนก่อน

     3.กฎของฮุนด์ (Hund’s rule) กล่าวว่า “การบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงาน

เท่ากัน (degenerate orbital) จะบรรจุในลักษณะที่ท้าให้มีอิเล็กตรอนเดี่ยวมากที่สุดเท่าที่

จะมากได้” ออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานมากกว่า 1 เช่น ออรฺบิทัล p และ d เป็นต้น

     4.การบรรจุเต็ม (filled configuration) เป็นการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานเท่ากัน 

แบบเต็ม ครบ 2 ตัว ส่วนการบรรจุครึ่ง (half- filled configuration) เป็นการบรรจุอิเล็กตรอนลงในออร์บิทัลแบบครึ่งหรือเพียง 1 ตัว เท่านั้น ซึ่งการบรรจุทั้งสองแบบ (ของเวเลนซ์อิเล็กตรอน) จะทำให้มีความเสถียรมากกว่าตัวอย่างการบรรจุเต็ม