Правило Хунда
Почему заполнение электронами орбиталей одной оболочки подчиняется правилу Хунда? Ведь орбитали одной оболочки вырождены по энергии.
И есть ли что-то общее в описании правила Хунда и ферромагнетизма?
В принципе, качественно и за то, и за другое ответственны обменное взаимодействие и связанный с ним принцип Паули.
1. Правило Хунда.
При уменьшении расстояния между электронами энергия их электростатического отталкивания растет. Потому электроны одной оболочки одного атома заполняют такие квантовые состояния, при которых перекрытие их волновых функций, а значит, суммарная энергия взаимодействия, минимальны.
Для этого проекции спинового числа электронов на направление движения должны быть параллельными, а значит, согласно принципу Паули, двухэлектронная волновая функция должна быть антисимметричной относительно перестановок в пространстве. А это, в свою очередь, означает то, что два электрона с параллельными спинами заполняют разные орбитали одной оболочки. При этом, конечно, суммарное спиновое число системы электронов максимально.
Такому состоянию соответствует положительный знак обменной энергии взаимодействия двух электронов. Это значит, что при параллельной ориентации спинов потенциальная энергия взаимодействия электронов уменьшается.
В этом суть правила Хунда.
2. Ферромагнетизм.
Ферромагнетизм соответствует параллельной ориентации спинов (а значит, и магнитных моментов) электронов разных атомов. Такое состояние в ферромагнетиках соответствует минимуму энергии подобно тому, как в изолированном атоме минимуму соответствует параллельная ориентация спинов электронов на разных орбиталях одной оболочки.
Параллельность спинов неспаренных электронов разных атомов ферромагнетика обусловливается положительным знаком обменной энергии. Знак обменной энергии соответствует знаку обменного интеграла. Знак обменного интеграла для кристалла зависит от величины а/д, где а - постоянная данной кристаллической решетки и д - характерный радиус орбитали, на которой находится электрон. Для ферромагнетиков а/д>1,5, и в результате этого обменный интеграл положительный. При этом, член спиновой части в выражении для обменной энергии должен соответствовать параллельным спинам.
Это значит, что значения параметров а и д в ферромагнетиках таковы, что эффект расталкивания электронов, а значит, минимизации их электростатического взаимодействия, есть основополагающим для их энергии взаимодействия.
Правило Хунда (Гунда) определяет порядок заполнения орбиталей определённого подслоя и формулируется следующим образом: суммарное значение спинового квантового числа электронов данного подслоя должно быть максимальным.
Это означает, что в каждой из орбиталей подслоя заполняется сначала один электрон, а только после исчерпания незаполненных орбиталей на эту орбиталь добавляется второй электрон. При этом на одной орбитали находятся два электрона с полуцелыми спинами противоположного знака, которые спариваются (образуют двухэлектронное облако) и, в результате, суммарный спин орбитали становится равным нулю.
Другая формулировка: Ниже по энергии лежит тот атомный терм, для которого выполняются два условия.
Мультиплетность максимальна
При совпадении мультиплетностей суммарный орбитальный момент L максимален.
Разберём это правило на примере заполнения орбиталей p-подуровня p-элементов второго периода (то есть от бора до неона (в приведённой ниже схеме горизонтальными чёрточками обозначены орбитали, вертикальными стрелками — электроны, причём направление стрелки обозначает ориентацию спина) :
правило Хунда эта хорошиий закон .