Quantenzahlen und Elektronenkonfigurationen

Die Ordnungszahl eines Elements gibt die Elektronenanzahl des Atoms an. Diese Elektronen sind auf die einzelnen Schalen, oder Energieniveaus, in Orbitalen verteilt. Die Anordnung der Elektronen, oder Elektronenkonfiguration, kann mithilfe der vier Quantenzahlen genau bestimmt werden.

Physikalische Grundlage

Die Elektronenkonfiguration kann in vereinfachter Schreibweise mit Hilfe der Hauptquantenzahl und der Nebenquantenzahl angegeben werden. Zum Beispiel: Die Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffatoms mit 6 Elektronen lautet 1s² 2s² 2p².  Die Hauptquantenzahl n gibt dabei die Schale an und die Nebenquantenzahl l gibt die Unterschale an. Dabei haben sich alte Begriffe für die Form des Orbitals gehalten: s=sharp, p=principal, d=diffuse, f=fundamental. Die hochgestellte Ziffer gibt die Anzahl der Elektronen an. Somit befinden sich 2 Elektronen in der K-Schale im 1s-Niveau (1s-Unterschale), 2 Elektronen in der L-Schale im 2s-Niveau und 2 Elektronen in der L-Schale im 2p-Niveau. 

Die Magnetquantenzahl m gibt die Orientierung der Unterschalen in einem äußeren Magnetfeld an. Die maximale Anzahl der Orientierungen hängt von der Nebenquantenzahl l ab. Das s-Niveau (l = 0) hat nur eine Orientierung, das p-Niveau (l = 1) drei und das d-Niveau (l = 2) fünf. Zu jeder Magnetquantenzahl gehören bis zu 2 Elektronen. Diese beiden Elektronen haben einen Drehimpuls, der nur in 2 Richtungen erfolgen kann. Dieser Drehimpuls wird als Spinquantenzahl s angegeben. Durch die Limitierung auf 2 Richtungen kann die Spinquantenzahl daher nur den Wert ​ $$-\frac{1}{2}$$ und $$+\frac{1}{2}$$​​ annehmen. 

Regeln zur Besetzung der Energieniveaus (Schalen)

In Atomen mit mehr als einem Elektron werden die Energieniveaus, oder Schalen, nach drei Regeln besetzt.

• Energieprinzip: Die Reihenfolge der Besetzung richtet sich nach der Energie des Niveaus. Zuerst wird das Niveau mit der niedrigsten Energie besetzt. Zuerst das 1s-Niveau, dann das 2s-Niveau und danach die drei 2p-Niveaus. Die energetische Reihenfolge der Niveaus entspricht nicht immer der Reihenfolge der Hauptquantenzahlen. 
  
• Hund'sche Regel: Energiegleiche Niveaus werden zunächst alle mit einem Elektron gleichen Spins besetzt. Danach werden die Niveaus mit einem zweiten Elektron aufgefüllt.
• Pauli-Prinzip: Die Elektronen eines Atoms unterscheiden sich immer durch mindestens eine Quantenzahl. Demnach kann das gleiche Energieniveau nur mit 2 Elektronen mit entgegengesetztem Spin besetzt werden.

Grafische Darstellung von Elektronenkonfigurationen

Die Elektronenkonfiguration kann auf zwei Arten dargestellt werden: In der vereinfachten Schreibweise wird die Anzahl der Elektronen pro Energieniveau als hochgestellte Zahl neben der Bezeichnung des Energieniveaus, zum Beispiel 1s, angegeben. In der Kästchenschreibweise wird jedes Energieniveau durch ein Kästchen dargestellt und jedes Elektron durch einen Pfeil symbolisiert, dessen Richtung den Spin angibt. Energiegleiche Niveaus werden zusammengenommen.