Números Quânticos

Diz-se que a energia de um eletrão em um átomo é quantizada; isto é, pode apenas ser igual a determinados valores específicos e pode saltar de um nível de energia para outro, mas não transicionar suavemente ou permanecer entre estes níveis.

Os níveis de energia são marcados com um valor n, onde n = 1, 2, 3, etc. Geralmente falando, a energia de um eletrão em um átomo é maior para valores maiores de n. Este número, n, é referido como o número quântico principal. O número quântico principal define a localização do nível de energia. É essencialmente o mesmo conceito que o n na descrição do átomo de Bohr. Outro nome para o número quântico principal é o número de camada.

O modelo mecânico-quântico especifica a probabilidade de encontrar um eletrão no espaço tridimensional ao redor do núcleo e é baseado em soluções da equação de Schrödinger.

Outro número quântico é l, o número quântico secundário (momentum angular). É um número inteiro que pode ter os valores, l = 0, 1, 2, …, n – 1. Isto significa que uma orbital com n = 1 pode ter apenas um valor de l, l = 0, enquanto que n = 2 permite l = 0 e l = 1, e assim por diante. Enquanto que o número quântico principal, n, define o tamanho e a energia geral da orbital, o número quântico secundário l especifica a forma da orbital. Orbitais com o mesmo valor de l definem uma subcamada.

Orbitais com l = 0 são chamadas orbitais s, e formam as subcamadas s. O valor l = 1 corresponde às orbitais p. Para um determinado n, as orbitais p constituem uma subcamada p (por exemplo, 3p se n = 3). Orbitais com l = 2 são chamadas de orbitais d, seguidas das orbitais f, g, e h para l = 3, 4, e 5.

O número quântico magnético, m_l, especifica a orientação espacial relativa de uma orbital específica. Geralmente, m_l pode ser igual a –l, –(l – 1), …, 0, …, (l – 1), l. O número total de orbitais possíveis com o mesmo valor de l (ou seja, na mesma subcamada) é de 2l + 1. Assim, há uma orbital s em uma subcamada s (l = 0), existem três orbitais p em uma subcamada p (l 1), cinco orbitais d em uma subcamada d (l = 2), sete orbitais f em uma subcamada f (l = 3), e assim por diante. O número quântico principal define o valor geral da energia eletrónica. O número quântico do momentum angular determina a forma da orbital. E o número quântico magnético especifica a orientação da orbital no espaço.

Embora os três números quânticos discutidos nos parágrafos anteriores funcionem bem para descrever orbitais de eletrões, algumas experiências mostraram que não eram suficientes para explicar todos os resultados observados. Foi demonstrado na década de 1920 que quando os espectros da linha de hidrogénio são examinados a uma resolução extremamente alta, algumas linhas não são realmente picos únicos mas, em vez disso, pares de linhas muito próximas. Esta é a chamada estrutura fina do espectro, e implica que há pequenas diferenças adicionais nas energias dos eletrões mesmo quando estão localizados na mesma orbital. Estas observações levaram Samuel Goudsmit e George Uhlenbeck a propor que os eletrões têm um quarto número quântico. Eles chamaram a isto o número quântico de spin ou s.

Os outros três números quânticos, n, l, e m_l são propriedades de orbitais atómicas específicas que também definem em que parte do espaço é mais provável localizar um eletrão. As orbitais são o resultado da solução da equação de SSchrödinger para eletrões em átomos.

O quarto número quântico, m_s, é o número quântico de spin. Os eletrões são cargas rotatórias e comportam-se como pequenos ímans de barra. Os dois possíveis movimentos de rotação do eletrão são no sentido horário e anti-horário. Para um eletrão em uma orbital, estas duas possibilidades são indicadas por números quânticos de spin, +1/2 para uma rotação no sentido horário, e −1/2 para uma rotação no sentido anti-horário. É o único número quântico com valores não integrais.

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 6.3: Development of Quantum Theory.