7.10: Квантовые числа

Говорят, что энергия электрона в атоме квантована; то есть она может быть равна только определенным конкретным значениям и может перескакивать с одного уровня энергии на другой, а не плавно переходить или оставаться между этими уровнями.

Уровни энергии помечены значением n, где n = 1, 2, 3 и т. д. вообще говоря, энергия электрона в атоме больше для больших значений n. Это число, n, называется главным квантовым числом. Главное квантовое число определяет расположение уровня энергии. По сути, это та же концепция, что и n в описании атома Бора. Другое имя для основного квантового числа — номер оболочки.

Квантовая модель определяет вероятность нахождения электрона в трехмерном пространстве вокруг ядра и основана на решениях уравнения Шредингера.

Другое квантовое число — l, вторичное (угловое) квантовое число. Это целое число может принимать значения, l = 0, 1, 2, …, n – 1. Это означает, что орбитальная с n = 1 может иметь только одно значение l, l = 0, тогда как n = 2 допускает l = 0 и l = 1 и так далее. В то время как основное квантовое число n определяет общий размер и энергию орбиты, вторичное квантовое число l определяет форму орбиты. Orbitals с таким же значением l определяют подоболочку.

Орбит с l = 0 называются орбит, и они составляют подоболочки s . Значение l = 1 соответствует p orbitals. Для заданного n, p orbitals составляют p subshell (например, 3p, если n = 3). Орбитали с l = 2 называются d орбиталями, за ними следуют f-, g- и h-орбитали для l = 3, 4 и 5.

Магнитное квантовое число, мл, указывает относительную пространственную ориентацию конкретной орбиты. В целом, мл может быть равен –l, –(l – 1), …, 0, …, (l – 1), l. Общее количество возможных орбиталей с таким же значением l (то есть в одной и той же подоболочке) равно 2l+1. Таким образом, в подоболочке S есть один s-орбитальный (l = 0), в подоболочке p (l = 1) три p-орбиталя, пять d-орбиталей в подоболочке d (l = 2), семь f-орбиталей в подоболочке f (l = 3) и так далее. Основное квантовое число определяет общее значение электронной энергии. Квантовое число углового импульса определяет форму орбиты. А магнитное квантовое число определяет ориентацию орбиты в пространстве.

Хотя три квантовых числа, обсуждавшиеся в предыдущих параграфах, хорошо описывают электронные орбитали, некоторые эксперименты показали, что их недостаточно для объяснения всех наблюдаемых результатов. В 1920-х годах было продемонстрировано, что при рассмотрении спектров водородной линии с чрезвычайно высоким разрешением некоторые линии на самом деле не являются единичными пиками, а, скорее, парами близко расположенных линий. Это так называемая тонкая структура спектра, и это означает, что существуют дополнительные небольшие различия в энергиях электронов, даже если они расположены в одной и той же орбите. Эти наблюдения заставили Самуэля Гаудсмит и Джорджа Уленбека предложить электронам четвёртое квантовое число. Они назвали это спин-квантовым числом или с.

Остальные три квантовых числа, n, l и ml являются свойствами конкретных атомных орбиталей, которые также определяют в какой части пространства, скорее всего, будет расположен электрон. Орбитали являются результатом решения уравнения Шредингера для электронов в атомах.

Четвертое квантовое число, m _s , является квантовым числом спина. Электроны вращают заряды и ведут себя как крошечные стержневые магниты. Два возможных вращательных движения электрона – по часовой стрелке и против часовой стрелки. Для электрона на орбитали эти две возможности обозначены квантовыми числами спина, +1/2 для вращения по часовой стрелке и & minus; 1/2 для вращения против часовой стрелки. Это единственное квантовое число, имеющее нецелые значения.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 6.3: Развитие квантовой теории.