3.- Cuando un electrón cae desde una órbita a otra de energía más baja, la energía liberada se emite como un fotón cuya frecuencia viene dada por la expresión v=(EK-Ej)/h, siendo E la energía del electrón en las órbitas de partida y de llegada, de números cuánticos respectivos k y j.
Principio de exclusión de Pauli
En 1925, tras la formulación del concepto de espín, W.Pauli estableció un principio relativo a los cuatro números cuánticos que caracterizan a cualquier electrón orbital en un átomo.
Este principio, que se aplica así mismo a cualquier sistema electrónico aislado, puede formularse diciendo que en un átomo no puede existir dos electrones en el mismo estado cuántico, o bien, en otras palabras, que el conjunto de valores asignados a los cuatro números cuánticos debe ser diferente para cada electrón. El principio de exclusión de Pauli no puede demostrarse teóricamente sino que más bien constituye un principio fundamental confirmado por la existencia.
Los electrones que tienen el mismo valor de n (primer número cuántico)constituyen un nivel energético definido, que puede designarse empleando las letras K,L,M,N,O,P,etc. , que corresponde a valores de n iguales a 1,2,3,4,5,6, etc. Estos electrones se reparten en sus niveles energéticos según los valores del segundo número cuántico l.
A su vez, los electrones pertenecientes a un mismo subnivel se distribuyen en diversas orbitas elepticas cuyas diferentes orientaciones vienen dadas por los valores del tercer número cuántico, ml, y en cada una de estas orbitas pueden existir dos electrones, estando cada uno de ellos caracterizado por uno de los dos posibles valores del cuarto número cuántico o número cuántico de espín ms.
Estas reglas para los números cuánticos fijan la capacidad de contener electrones de cada nivel, subnivel y orbita. En resumen:
- cada nivel principal de número cuántico n contiene un total n subniveles;
- cada subnivel de número cuántico l contiene 2l + 1 orbitales, así:
- el subnivel s (1=0) contiene una orbital,
-el subnivel p (1=1) contiene 3 orbitales,
- el subnivel d (1=2) contiene 5 orbitales,
- el subnivel f (1=3) contiene 7 orbitales.
- cada orbital puede contener dos electrones que deben tener espínes opuestos.
Configuraciones electrónicas de los átomos
De acuerdo con las reglas establecidas en el apartado anterior es posible asignar números cuánticos a cada uno de los electrones de un átomo. La manera más sencilla de escribir la disposición de los electrones en un átomo es dar su configuración electrónica, que nos dice el número de electrones en cada nivel principal y en cada subnivel. Con un diagrama orbital podemos ir un paso más allá e indicar la disposición de los electrones dentro de los orbitales y, por último, pódemos especificar los 4 números cuánticos para cada electrón.
La forma normalmente usada para exprear simbólicamente la estructura electrónica de un átomo es la llamada notación espectral. Con esta notación se emplea un super índice para indicar el número de electrones en un subnivel determinado.
Así, la configuración electrónica del potasio, cuyo númeroatónico es 19, sería:
1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,4s1, lo que significa que el átomo de potasio (K) tiene dos electrones en el nivel 1s, dos electrones en el subnivel 2s, seis electrones en el subnivel 3p, y un electrón en el subnivel 4s.
En los diagramas orbitales se emplean flechas para indicar los espines de los electrones. Así la flecha hacia arriba indica un electrón con un número cuántico de espín ms=+1/2 y la flecha hacia abajo indica un electrón con el espín opuesto, ms=-1/2.
Par llegar a establecer la configuración electrónica de un átomo debemos conocer el orden creciente de la energía de estos. Normalmente, llenan por completo un subnivel antes de empezar a ocupar el subnivel siguiente. Las energías relativas de los diferentes subniveles pueden determinarse experimentalmente.
En general, la energía de los subniveles se incrementa con el número cuántico principal n, pero no siempre. Así, el subnivel más bajo de n=4 (es decir, el subnivel 4s) tiene menor energía que el subnivel más alto de n=3 (es decir, 3d), por lo que en los átomos de K y Ca los sucesivos electrones entran en el subnivel 4s antes de ocupar el subnivel 3d.
Sabiendo, por ejemplo, que el orden en que se llenan los primeros subniveles es 1s, 2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p, podemos establecer la configuración electrónica de los 36 primeros elementos.
Puesto que el subnivel s puede tener solo dos electrones, el subnivel 1s esta lleno en el He (Z=2). El Li (Z=3), el tercer electrón tiene que entraren un nuevo subnivel: el 2s, que es el subnivel de menor energía del segundo nivel principal; en el Li tiene pues un electrón en este subnivel (1s2, 2s1).