الكثير في ميكانيكا الكملا يزال بعيدًا عن الفهم ، يبدو الكثير رائعًا. الأمر نفسه ينطبق على الأعداد الكمية ، التي لا تزال طبيعتها غامضة حتى يومنا هذا. تصف المقالة المفهوم والأنواع و مبادئ عامةالعمل معهم.

الخصائص العامة

تحدد الأرقام الكمومية الصحيحة أو نصف العددية للكميات المادية كل ما هو ممكن قيم منفصلةتوصيف أنظمة الكم (جزيء ، ذرة ، نواة) والجسيمات الأولية. يرتبط تطبيقها ارتباطًا وثيقًا بوجود ثابت بلانك. إن تحفظ العمليات التي تحدث في العالم المصغر يعكس الأرقام الكمومية و المعنى المادي. تم تقديمها لأول مرة من أجل وصف انتظام أطياف الذرة. ولكن تم الكشف عن المعنى المادي وتقدير الكميات الفردية فقط في ميكانيكا الكم.
المجموعة التي تحدد بشكل شامل حالة هذا النظام تسمى المجموعة الكاملة. جميع الدول المسؤولة عن القيم المحتملة من مثل هذه المجموعة تشكل نظامًا كاملًا من الدول. عدد الكميةفي الكيمياء ، مع درجات الحرية للإلكترون ، يعرّفونه في ثلاثة إحداثيات مكانية ودرجة الحرية الداخلية - الدوران.

تكوينات الإلكترون في الذرات

تحتوي الذرة على نواة وإلكترونات ، يوجد بينهما قوى ذات طبيعة إلكتروستاتيكية. ستزداد الطاقة مع انخفاض المسافة بين النواة والإلكترون. يُعتقد أنه سيكون مساويًا للصفر إذا كان بعيدًا عن النواة بلا حدود. يتم استخدام هذه الحالة كنقطة انطلاق. وبالتالي ، يتم تحديد الطاقة النسبية للإلكترون.

غلاف الإلكترون عبارة عن مجموعة يتم التعبير عن الانتماء إلى أحدها بواسطة الرقم الكمي الرئيسي n.

الرقم الأساسي

يشير إلى مستوى طاقة معين مع مجموعة من المدارات التي لها قيم متشابهة ، تتكون من n = 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 ... عندما يتحرك الإلكترون من خطوة إلى أخرى ، فإنه يتغير. ضع في اعتبارك أنه ليس كل المستويات مليئة بالإلكترونات. عند ملء غلاف الذرة ، يتحقق مبدأ أقل طاقة. تسمى حالته في هذه الحالة غير متحمسة أو أساسية.

الأعداد المدارية

كل مستوى له مدارات. أولئك الذين لديهم طاقة مماثلة يشكلون مستوى فرعيًا. يتم إجراء مثل هذا التخصيص باستخدام الرقم الكمي المداري (أو كما يطلق عليه أيضًا الجانب) l ، والذي يأخذ قيم الأعداد الصحيحة من صفر إلى n - 1. لذا فإن الإلكترون الذي يحتوي على أرقام الكم الرئيسية والمدارية يمكن أن تكون n و l متساويتين ، بدءًا من l = 0 وتنتهي بـ l = n - 1.

يوضح هذا طبيعة حركة المستوى الفرعي ومستوى الطاقة المقابل. بالنسبة إلى l = 0 وأي قيمة لـ n ، سيكون لسحابة الإلكترون شكل كرة. سيكون نصف قطرها متناسبًا طرديًا مع n. عند l = 1 ، ستأخذ سحابة الإلكترون شكل اللانهاية أو الشكل الثامن. كيف المزيد من القيمةل ، سيكون الشكل أكثر تعقيدًا ، وستزداد طاقة الإلكترون.

الأرقام المغناطيسية

Ml هو إسقاط المدار (الجانب) في اتجاه واحد أو آخر حقل مغناطيسي. يُظهر الاتجاه المكاني لتلك المدارات التي يكون فيها الرقم l هو نفسه. يمكن أن يكون لـ Ml قيم مختلفة 2l + 1 ، من -l إلى + l.
رقم كم مغناطيسي آخر يسمى الدوران - مللي ثانية ، وهو لحظة خاصةأرقام الحركة. لفهم هذا ، يمكن للمرء أن يتخيل دوران الإلكترون ، كما كان ، حوله المحور الخاص. يمكن أن تكون السيدة -1/2 ، +1/2 ، 1.
بشكل عام ، لأي إلكترون قيمه مطلقهتدور s = 1/2 ، وتعني ms إسقاطها على المحور.

مبدأ باولي: لا يمكن للذرة أن تحتوي على إلكترونين بأربعة أرقام كمومية متشابهة. يجب أن يكون واحد منهم على الأقل ممتازًا.
حكم صياغة معادلات الذرات.

1. مبدأ الحد الأدنى من الطاقة. وفقًا لذلك ، يتم ملء المستويات والمستويات الفرعية الأقرب إلى النواة أولاً ، وفقًا لقواعد Klechkovsky.
2. يشير موضع العنصر إلى كيفية توزيع الإلكترونات على مستويات الطاقة والمستويات الفرعية:

• يتطابق الرقم مع شحنة الذرة وعدد إلكتروناتها ؛
• الرقم الدوري يتوافق مع عدد مستويات الطاقة ؛
• رقم المجموعة هو نفس الكمية في الذرة ؛
• تظهر المجموعة الفرعية توزيعها.

النوى والجسيمات الأولية

الأرقام الكمية في الفيزياء هي خصائصها الداخلية التي تحدد التفاعلات وأنماط التحولات. باستثناء التدوير ، هذا الشحنة الكهربائية Q ، والتي بالنسبة لجميع الجسيمات الأولية تساوي صفرًا أو عددًا صحيحًا ، سالبًا أو موجبًا ؛ شحنة الباريون B (صفر أو واحد في الجسيم ، صفر أو ناقص واحد في الجسيم المضاد) ؛ شحنة ليبتون ، حيث تكون Le و Lm مساوية لصفر ، واحد ، وفي الجسيم المضاد - صفر وسالب واحد ؛ تدور النظائر مع عدد صحيح أو نصف عدد صحيح ؛ الغرابة S وغيرها. كل هذه الأرقام الكمية تنطبق على كليهما الجسيمات الأوليةوكذلك النوى الذرية.
في بالمعنى الواسعالكلمات تسمى الكميات الفيزيائية التي تحدد حركة الجسيم أو النظام والتي يتم حفظها. ومع ذلك ، فليس من الضروري على الإطلاق أن ينتموا إلى طيف منفصل من القيم الممكنة.

مقدمة

كامل أو أعداد كسرية، والتي تحدد القيم المحتملة للكميات الفيزيائية التي تميز الأنظمة الكمية ( نواة ذرية، ذرة ، جزيء ، إلخ) ، سبتمبر. إليم. الجسيمات والجسيمات الافتراضية والكواركات والجلونات.

تم تقديم K. h لأول مرة في الفيزياء لوصف الأنماط الموجودة تجريبياً لـ at. الأطياف ، ومع ذلك ، تم الكشف عن معنى K. h. وما يرتبط به من تمييز لبعض الكميات الفيزيائية التي تميز سلوك الجسيمات الدقيقة فقط ميكانيكا الكم. وفقًا لميكانيكا الكم ، فإن القيم الفيزيائية الممكنة. يتم تحديد الكميات من تلقاء نفسها. قيم العوامل المقابلة - مستمرة أو منفصلة ؛ في الحالة الأخيرةوتظهر بعض الأرقام الكمومية (بمعنى مختلف قليلاً ، تسمى الأرقام الكمومية أحيانًا بالكميات المحفوظة في عملية الحركة ، ولكنها لا تنتمي بالضرورة إلى الطيف المنفصل للقيم المحتملة ، على سبيل المثال ، الزخم أو الطاقة في جسيم متحرك بحرية.)

مغناطيسي الكم

عدد الكمية

الديناميكا الكهربائية الكمية

الأرقام الكمية هي معلمات الطاقة التي تحدد حالة الإلكترون والنوع المدار الذريالتي يقع عليها. الأرقام الكمية ضرورية لوصف حالة كل إلكترون في الذرة. 4 أرقام كم فقط. هذه هي: رقم الكم الأساسي - n ، رقم الكم المداري - l ، رقم الكم المغناطيسي - مل ورقم كم الدوران - مللي ثانية. الرقم الكمي الرئيسي هو n.

رقم الكم الرئيسي - n - يحدد مستوى طاقة الإلكترون ، المسافة مستوى الطاقةمن النواة وحجم السحابة الإلكترونية. يأخذ الرقم الكمي الرئيسي أي قيم صحيحة تبدأ من n = 1 (n = 1،2،3 ،…) ويتوافق مع رقم الفترة.

رقم الكم المداري - ل. رقم الكم المداري - l - يحدد شكل هندسيالمدار الذري. يأخذ العدد الكمي المداري أي قيم صحيحة تبدأ من l = 0 (l = 0،1،2،3 ، ... n-1). بغض النظر عن رقم مستوى الطاقة ، فإن كل قيمة لرقم الكم المداري تتوافق مع مدار ذي شكل خاص. تسمى "مجموعة" من هذه المدارات التي لها نفس قيم العدد الكمي الأساسي مستوى الطاقة. تتوافق كل قيمة من قيمة العدد الكمي المداري مع مدار ذي شكل خاص. تتوافق قيمة عدد الكم المداري l = 0 مع s-orbital (نوع 1-in). تتوافق قيمة عدد الكم المداري l = 1 مع p-orbitals (من 3 أنواع). تتوافق قيمة عدد الكم المداري l = 2 مع مدارات d (5 أنواع). تتوافق قيمة العدد الكمي المداري l = 3 مع المدارات f (7 أنواع).

الجدول 1

المدارات f لديها أكثر من ذلك شكل معقد. كل نوع من المدارات هو حجم الفضاء الذي يكون فيه احتمال العثور على الإلكترون هو الحد الأقصى.

عدد الكم المغناطيسي - مل.

رقم الكم المغناطيسي - مل - يحدد اتجاه المدار في الفضاء بالنسبة للمغناطيسية الخارجية أو الحقل الكهربائي. يأخذ الرقم الكمي المغناطيسي أي قيمة عددية من -l إلى + l ، بما في ذلك 0. وهذا يعني أنه لكل شكل مداري هناك 2l + 1 اتجاهات مكافئة للطاقة في الفضاء المداري.

بالنسبة لـ s-orbital:

l = 0 ، m = 0 - اتجاه واحد مكافئ في الفضاء (مدار واحد).

بالنسبة إلى المدار p:

l = 1 ، m = -1،0 ، + 1 - ثلاثة اتجاهات معادلة في الفضاء (ثلاثة مدارات).

بالنسبة لـ D-orbital:

l = 2 ، m = -2 ، -1،0،1،2 - خمسة اتجاهات معادلة في الفضاء (خمسة مدارات).

بالنسبة إلى المدار f:

l = 3، m = -3، -2، -1،0،1،2،3 - سبعة اتجاهات معادلة في الفضاء (سبعة مدارات).

عدد الكم للدوران - مللي ثانية.

يحدد رقم كم الدوران - مللي ثانية - اللحظة المغناطيسية التي تحدث عندما يدور الإلكترون حول محوره. يمكن أن يأخذ العدد الكمي المغزلي قيمتين محتملتين فقط +1/2 و -1/2. إنها تتوافق مع اتجاهين محتملين ومتعاكسين خاص بهما لحظة جاذبةالإلكترون - يدور.

الديناميكا الكهربائية الكمية

(QED) ، نظرية الكم لتفاعل المجالات المغناطيسية الإلكترونية والجسيمات المشحونة. غالبًا ما يُطلق على QED هذا الجزء من الكم. نظرية المجال ، التي تنظر في تفاعل المجالات الإلكترونية والمغناطيسية والإلكترون والبوزيترون. يظهر المجال المغناطيسي الإلكتروني في مثل هذه النظرية كمجال قياس. كمية هذا المجال هي فوتون - جسيم مع صفر راحة كتلة ودوران 1 ، وتفاعل عنصرين هو نتيجة تبادل الفوتونات الافتراضية بينهما. الثابت بلا أبعاد الذي يميز شدة التفاعل هو الثابت هيكل غرامةأ = e2 / ћc »I / 137 (بتعبير أدق ، a-1 = 137.035987 (29)). نظرًا لصغر قيمة a ، فإن طريقة الحساب الرئيسية في QED هي نظرية الاضطراب ، وهي بصرية صورة بيانيةالتي قدمتها مخططات فاينمان.

تم تأكيد صحة QED من خلال عدد كبير من التجارب في النطاق الكامل المتاح للمسافات (الطاقات) ، بدءًا من الكونية - 1020 سم وحتى داخل الجسيمات - 10-16 سم. يصف QED عمليات مثل الإشعاع الحراريالأجسام ، تأثير كومبتون ، bremsstrahlungومع ذلك ، فإن أكثر العمليات شيوعًا في QED هي العمليات المرتبطة باستقطاب الفراغ.

أول تأثير لوحظ QED هو تحول الحمل في مستويات الحساسية. مع دقة التسجيل ، ما يسمى ب. مغناطيس غير طبيعي. لحظة البريد الإلكتروني. Magn. كمية اللحظة التي تحدد تفاعل الجسيم في حالة السكون مع تحويلة. ماغن. مجال. من الكم. تتبع نظرية ديراك عن el-n أن إل-ن يجب أن يكون له عزم مغناطيسي مساوٍ لمغنطون بور: mB = ећ / 2mc (حيث m هي كتلة el-on). في QED ، يمكن تفسير التصحيحات التي تظهر في التعبير عن طاقة مثل هذا التفاعل بشكل طبيعي على أنها نتيجة لظهور إضافات "فراغ" للعزم المغناطيسي. تسمى هذه المواد المضافة ، التي درسها الفيزيائي الأمريكي جيه شوينغر نظريًا لأول مرة ، بالعزم المغناطيسي الشاذ.

القيمة المحسوبة للعزم المغناطيسي e-on m

theor = mB (1 + a / 2p- 0.328478 (a / p) 2 + 1.184175 (a / p) 3 = 1.00115965236 (28) ميغابايت

في اتفاق ممتاز مع القيمة التجريبية: mexp = 1.00115965241 (21) ميغابايت

التأثير المميز لـ QED هو تشتت الضوء بالضوء. في الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية ، هذا التأثير غائب: تعتبر الموجات الكهرومغناطيسية فيه غير متفاعلة. في QED ، يصبح التأثير ممكنًا بسبب عمل فراغ الإلكترون-البوزيترون مع التقلبات.

في الحالة الأولية- فوتونان ( خطوط متموجة) ؛ يختفي أحدها عند النقطة 1 ، مما يؤدي إلى ظهور زوج افتراضي من الإلكترون والبوزيترون (خطوط صلبة) ؛ يتم امتصاص الفوتون الثاني عند النقطة 2 بواسطة أحد جسيمات هذا الزوج (في الرسم البياني أعلاه ، بواسطة البوزيترون). ثم تظهر الفوتونات النهائية: يولد أحدهما عند النقطة 4 بواسطة إلكترون افتراضي ، وينشأ الآخر نتيجة لإبادة زوج افتراضي من الإلكترون والبوزيترون عند النقطة 3. وبفضل أزواج الإلكترون والبوزيترون الافتراضية ، يظهر تفاعل بين الفوتونات ، أي مبدأ التراكب موجات كهرومغناطيسيةانتهكت. يجب أن يتجلى هذا في عمليات مثل تشتت الضوء بالضوء. تمت ملاحظة عملية تشتت الفوتون بواسطة مجال إلكتروستاتيكي خارجي ، والذي يحتوي على احتمالية أعلى إلى حد ما ، بشكل تجريبي نواة ثقيلة، أي على الفوتونات الافتراضية (تشتت Delbrück). تظهر التصحيحات "الأعلى" (الإشعاعية) المحسوبة بطريقة الاضطراب أيضًا في تشتت الجسيمات المشحونة وفي بعض الظواهر الأخرى.

فئة أخرى من تأثيرات "الفراغ" التي تنبأت بها النظرية هي تكوين جسيمات - جسيمات مضادة في مجالات كهرومغناطيسية وجاذبية قوية جدًا (ثابتة ومتغيرة). تمت مناقشة هذا الأخير ، على وجه الخصوص ، فيما يتعلق بالمشاكل الكونية المرتبطة بالمراحل المبكرة من تطور الكون (إنتاج الزوج في مجال الجاذبية للثقوب السوداء).

هذه العملية هي مثال على التشابك الوثيق بين فيزياء اللبتونات والهادرونات. زادت أهمية تحليل العمليات من هذا النوع خاصة بعد ظهور التجارب على تصادم حزم الإلكترون والبوزيترون.

(QFT) ، الكم النسبي. نظرية الفيزياء. أنظمة ذات عدد لا حصر له من درجات الحرية. مثال على مثل هذا النظام هو المجال الكهرومغناطيسي ، ل وصف كاملوالتي تتطلب ، في أي وقت من الأوقات ، تعيين قوى المجالات الكهربائية والمغناطيسية في كل نقطة من العلاقات العامة ، أي تخصيص عدد لا حصر له من الكميات. في المقابل ، يتم تحديد موضع الجسيم في كل لحظة من الزمن عن طريق تحديد إحداثياته ​​الثلاثة.

حتى الآن ، نظرنا في الجسيمات الحرة غير المتفاعلة ، والتي ظل عددها دون تغيير ؛ نظرًا لأنه من السهل إظهاره بمساعدة العلاقات (6) ، فإن مشغل رقم الجسيمات N ^ (n) = a + na-n يتنقل مع مشغل الطاقة؟ ^ = S؟ (p) N ^ (p) ، لذلك يجب أن يكون عدد الجسيمات ثابتًا ، أي أن عمليات ظهور جسيمات إضافية ، واختفائها وتقلّباتها كانت غائبة. يتطلب حساب هذه العمليات تضمين تفاعل الجسيمات.

التفاعل في QTP.

في الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية ، يحدث التفاعل بين الجسيمات المشحونة من خلال مجال: تخلق الشحنة مجالًا يعمل على الشحنات الأخرى. في نظرية الكم ، التفاعل حقل كهرومغناطيسيوالجسيم المشحون يشبه انبعاث وامتصاص أجزاء من الفوتونات ، والتفاعل بين الجسيمات المشحونة هو نتيجة تبادلها للفوتونات: يصدر كل من الإلكترونات فوتونات (كمات المجال الكهرومغناطيسي الذي يحمل التفاعل) ، وهي ثم استوعبه الآخرون. هذا النمط من التفاعل يرجع إلى خاصية خاصةالديناميكا الكهربائية ، إلخ. ن. تناظر القياس. يتم تأكيد آلية مماثلة للتفاعل بشكل متزايد مع المادية الأخرى. مجالات. ومع ذلك ، لا يمكن للجسيم الحر أن يصدر أو يمتص الكم. على سبيل المثال ، في نظام يكون فيه الجسيم في حالة راحة ، يتطلب إشعاع الكم إنفاق الطاقة وانخفاض كتلة الجسيم (بسبب تكافؤ الطاقة والكتلة) ، وهو أمر مستحيل. لحل هذه المفارقة ، يجب أن نأخذ في الاعتبار أن الجسيمات - الكم. الأشياء التي من أجلها علاقة D؟ Dt؟ وبالتالي ، انبعاث أو امتصاص كميات المجال ، بشرط أن تكون هذه الكميات موجودة خلال الفترة الزمنية Dt؟ ћ / D ؟. (على أساس هذا المنطق وحقيقة التأثير قصير المدى للقوى النووية ، تنبأ الفيزيائي الياباني X. Yukawa بوجود جسيم - ناقل للعمل النووي بكتلة تقارب 200-300 كتلة إلكترون ، التي تم اكتشافها لاحقًا تجريبيًا وتسمى p-meson.) المولدات ومكبرات الموجات الكهرومغناطيسية بناءً على ظاهرة الإشعاع المحفز (المستحث). مبدأ تشغيل مولد الكم الميكروويف ، يسمى مازر (اختصار لـ كلمات انجليزيةتم اقتراح تضخيم الميكروويف عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع ، والذي يعني "تضخيم الميكروويف بسبب الانبعاث المحفز") ، في عام 1954 من قبل C. Townes. (نفس المبدأ يكمن وراء مضخمات الكم الضوئية ومولدات الليزر.) نظرًا لأن تواتر الإشعاع عند خرج مولد كمي يتم تحديده من خلال مستويات طاقة ثابتة ومتقطعة للذرات أو الجزيئات بيئة نشطةيستخدم في مثل هذا المولد ، وله قيمة ثابتة ومحددة جيدًا.

الانبعاث التلقائي والقسري.

طاقة الاشعاع الكهرومغناطيسييتم إطلاقها أو امتصاصها في شكل "أجزاء" منفصلة ، تسمى الكميات أو الفوتونات ، وطاقة كم واحد تساوي hn ، حيث h هو ثابت بلانك ، و n هو تردد الإشعاع. عندما تمتص ذرة كمية من الطاقة ، فإنها تذهب إلى مستوى طاقة أعلى ، أي يقفز أحد إلكتروناتها إلى مدار أبعد عن النواة. من المعتاد أن نقول إن الذرة تدخل بعد ذلك في حالة من الإثارة. يمكن للذرة في حالة الإثارة أن تتخلى عن الطاقة المخزنة طرق مختلفة. واحد مسار ممكن- تنبعث كمية بنفس التردد بشكل عفوي ، وبعد ذلك تعود إلى حالتها الأصلية.

هذه عملية انبعاث عفوي(الانبعاثات) ، موضحًا بشكل تخطيطي في الشكل. 3 يوم ترددات عالية، بمعنى آخر. في الأطوال الموجية الصغيرة المقابلة للضوء المرئي ، يحدث الانبعاث التلقائي بسرعة كبيرة.

عادة ما تفقد الذرة المثارة ، بعد امتصاص فوتون من الضوء المرئي ، الطاقة المكتسبة نتيجة الانبعاث التلقائي في أقل من جزء من المليون من الثانية.

تتأخر عملية البث التلقائي عند الترددات المنخفضة.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للذرة أن تدخل في حالة وسيطة ما ، وتفقد جزءًا فقط من طاقتها في شكل فوتون منخفض الطاقة تنبعث منه.

يوجد إلكترون واحد فقط في ذرة الهيدروجين وطيف انبعاثه بسيط نسبيًا. في أطياف انبعاث ذرات العناصر الأخرى ، يكون عدد الخطوط أكبر. حتى قبل ظهور نموذج بوهر ، تعلم الفيزيائيون التمييز بين الخطوط المتقاربة في مثل هذه الأطياف التي تختلف في مظهر خارجي. بعضها (ضيق جدا) يسمى "حاد" (من اللغة الإنجليزية. حاد). كان يُطلق على ألمع الخطوط اسم "رئيسي" (من المبدأ الإنجليزي). لوحظت خطوط عريضة - أطلق عليها "غير واضحة" (منتشرة). نوع آخر من الخطوط يسمى "أساسي" (من اللغة الإنجليزية الأساسية). الحروف الأولى عناوين باللغة الإنجليزيةتحدثوا عن وجود خطوط s- و p- و d- و f في أطياف الانبعاث. كما هو مطبق على نموذج بور ، فإن هذا يعني أنه في أطياف الذرات الأكثر تعقيدًا من الهيدروجين ، يمكن أن تتكون المستويات الإلكترونية الثابتة من عدة مستويات فرعية متقاربة:

تمت تسمية المستوى الفرعي s على اسم الخط "الحاد" ،

تمت تسمية المستوى الفرعي p على اسم السطر "الأساسي" ،

تمت تسمية المستوى الفرعي d على اسم الخط "المنتشر" ، "الضبابي" (المنتشر) ، ويتم تسمية المستوى الفرعي f على اسم الخط "الأساسي".

يظهر الترتيب المعقد للمستويات في الشكل 4 ، والذي نعيد إنتاجه هنا مرة أخرى:

المستويات الجزئية الإلكترونية للذرات أكثر تعقيدًا من الهيدروجين. يفسر وجود المستويات الفرعية أصل الخطوط "الحادة" (الحادة) و "الرئيسية" (المبدأ) و "غير الواضحة" (المنتشرة) في الأطياف. أكثر مستويات عاليةلا يظهر في الشكل.

باستخدام الأطياف ، اتضح أن المستوى الأول (n = 1) لا يحتوي على أي مستويات فرعية باستثناء s. يتكون المستوى الثاني من مستويين فرعيين (s و p) ، ويتكون المستوى الثالث من ثلاثة مستويات فرعية (s ، و p ، و d) ، وهكذا. كما نرى ، يتم تحديد المستويات الفرعية بالأحرف الأولى من الأسماء الإنجليزية للخطوط المقابلة في الأطياف. في المستقبل ، بدأت المستويات العليا في الظهور بمجرد الاستمرار الأبجدية اللاتينية: g-sublayer ، h-sublayer ، إلخ.

يوضح الشكل 5 مخططًا لجزء من انتقالات الطاقة للإلكترونات في ذرة الليثيوم ، والتي تم الحصول عليها من طيف انبعاث الأبخرة الساخنة لهذا المعدن.

رسم تخطيطي لجزء من مستويات الطاقة والمستويات الفرعية لذرة الليثيوم. المستوى 1s أقل بكثير من المستوى 2s ولا يتناسب مع مقياس الصورة (الرسم من كتاب J. Campbell "Modern كيمياء عامة"، م: مير ، 1975 ، المجلد 1 ، ص 109).

يمكن ملاحظة أنه في الشكل 5 ، تظهر بعض المستويات الفرعية على أنها تتكون من عدة "أرفف" من نفس الطاقة. على سبيل المثال ، تتكون المستويات الفرعية p من ثلاثة أجزاء من نفس الطاقة ، والمستويات الفرعية d - من خمسة ، والمستويات الفرعية f - من سبعة. من أين أصبح معروفا؟ في عام 1896 ، وضع الفيزيائي الألماني ب. زيمان جهازًا في مجال مغناطيسي قوي ، مشابه لمصباح الهيدروجين ، ولكنه مملوء ببخار الصوديوم الساخن. وجد أن عدد الخطوط في أطياف الانبعاث يزداد في المجال المغناطيسي (تأثير زيمان). لوحظ ظاهرة مماثلة أيضًا في مجال كهربائي قوي. طالما تتأثر الإلكترونات فقط القوى الداخليةالنوى ، يمكن أن يكون بعضها في حالة نفس الطاقة. ولكن عندما يظهر مجال خارجي إضافي ، فإن هذه الطاقة لا يمكن أن تظل كما هي. أدى تحليل أطياف زيمان في وقت لاحق بكثير من الفيزيائي النظري وولفجانج باولي إلى فكرة أنه لا يمكن احتواء أكثر من إلكترونين على "رف" طاقة واحد. ومن أجل مقاومة قوى التنافر القوية ، يجب أن يكون لهذه الإلكترونات دوران مختلف (سنعود إلى هذه الخاصية بعد قليل). اتضح أن الذرة لا يمكن أن تحتوي على إلكترونين في نفس الحالة. يُعرف هذا الاستنتاج بمبدأ باولي (أو الحظر).

تتيح التجارب الفيزيائية تحديد مجموعة المستويات والمستويات الفرعية بواسطة الإلكترونات. للقيام بذلك ، من الضروري قياس طاقة تأين الذرات ، أي طاقة إزالة الإلكترونات منه. أولاً ، قم بقياس الطاقة المطلوبة لإزالة الإلكترون الأول من الذرة ، ثم الثاني والثالث وهكذا. اتضح أنه في جميع الذرات توجد إلكترونات تكون طاقات التأين قريبة منها. على سبيل المثال ، بالنسبة للأرجون (غلافه الإلكتروني يحتوي على 18 إلكترونًا) ، تم العثور على خمس مجموعات ذات طاقات تأين قريبة. لديهم 2 و 2 و 6 و 2 و 6 إلكترونات. لكن أدنى مستويات الطاقة الخمس للذرة تتوافق مع المستويات الفرعية 1s و 2 s و 2 p و 3 s و 3 p (وهذا معروف من أطياف الانبعاث). في هذه الحالة ، يجب أن يتكون المستوى الفرعي s من مدار واحد فقط (يحتوي على إلكترونين) ، المستوى الفرعي p - من ثلاثة مدارات (هناك 6 إلكترونات - اثنان لكل مدار). يمكن إثبات أن المستوى الفرعي d في الظروف الطبيعية(بدون مجال خارجي) يتكون من خمسة مدارات لها نفس الطاقة ، والمستوى الفرعي f يتكون من سبعة.

تم تنقيح نموذج بوهر تدريجيًا. جذبت العلماء من حقيقة أنه بمساعدتها كان من الممكن إجراء حسابات دقيقة إلى حد ما. على سبيل المثال ، يمكن للمرء حساب طاقة ذرة الهيدروجين في الأرض والحالات المثارة ، وتحديد نصف قطرها ، وحساب طاقة التأين ، وما إلى ذلك. لهذه الأغراض ، تم تجهيز النموذج بشكل واضح ومفهوم لكثير من الباحثين جهاز رياضي، والتي تم تطويرها بشكل رئيسي من قبل N. Bohr نفسه وأتباعه A. Sommerfeld. لإجراء العمليات الحسابية ، كان مطلوبًا وصف حالة الإلكترون في الذرة ، أي تشير إلى "عنوانها" الدقيق في الغلاف الإلكتروني (بتعبير أدق ، في النموذج قذيفة الإلكترون) بمساعدة ما يسمى بالأرقام الكمية. نحن نعلم بالفعل أن كل إلكترون موجود على مستوى ما (1 ، 2 ، 3 ، إلخ). يُشار إلى هذا المستوى بالرقم n ، والذي يسمى الرقم الكمي الرئيسي. من الواضح أن الرقم n يمكن أن يأخذ قيمًا صحيحة فقط.

نظرًا لأن المستويات قد تم تخصيصها بالفعل للرقم الكمي الرئيسي n ، فقد تم إدخال رقم كمي إضافي l للمستويات الفرعية. إذا كان الرقم الكمي الرئيسي n هو "عنوان" المستوى ، فإن الرقم l هو "عنوان" المستوى الفرعي:

l = 0 هي الطبقة الفرعية s ، l = 1 هي الطبقة الفرعية p ، l = 2 هي الطبقة الفرعية d ، l = 3 هي الطبقة الفرعية f.

رئيسي . يحدد طاقة الإلكترون في ذرة الهيدروجين وأنظمة الإلكترون الواحد (He + ، Li 2+ ، إلخ). في هذه الحالة ، طاقة الإلكترون

رقم الكم المداري ل يميز شكل المدارات ويأخذ القيم من 0 إلى ن- 1. بالإضافة إلى العددية للديه رسائل

الإلكترونات بنفس القيمة لتشكل مستوى فرعي.

رقم الكم ليحدد تكميم الزخم الزاوي المداري للإلكترون في حقل كولوم المتماثل كرويًا للنواة.

رقم الكم م ل اتصل مغناطيسي . يحدد الترتيب المكاني للمدار الذري ويأخذ قيمًا صحيحة من - لل + لمن خلال الصفر ، أي 2 ل+ 1 قيم. يتميز موقع المدار بقيمة إسقاط متجه الزخم الزاوي المداري معلى أي محور إحداثيات (عادةً المحور ض):

يمكن تمثيل كل ما سبق في جدول:

رقم الكم المداري عدد الكم المغناطيسي عدد المدارات ذات القيمة المحددة ل –2, –1, 0, +1, +2 –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3

الجدول 2.1. عدد المدارات في المستويات الفرعية للطاقة.

المدارات من نفس المستوى الفرعي ( ل= const) لها نفس الطاقة. مثل هذه الدولة تسمى تتدهور في الطاقة. لذا صمداري - ثلاث مرات ، د- خمس مرات و Fسبعة أضعاف.

الأسطح الحدودية س-, ص-, د-, F- تظهر المدارات في الشكل. 2.1.

س - أوربيتالمتناظرة كرويًا لأي نوتختلف عن بعضها البعض فقط بحجم الكرة. يرجع شكلها المتماثل إلى أقصى حد إلى حقيقة أن في ل= 0 و μ ل = 0.

ص - أوربيتالموجودة في ن≥ 2 و ل= 1 ، إذن هناك ثلاثة اتجاهات محتملة في الفضاء: م ل= -1 ، 0 ، +1. تحتوي جميع المدارات p على مستوى عقدي يقسم المدار إلى منطقتين ، وبالتالي فإن الأسطح الحدودية على شكل دمبل ، وموجهة في الفضاء بزاوية 90 درجة بالنسبة لبعضها البعض. محاور التناظر بالنسبة لهم هي تنسيق المحاور، والتي يتم الإشارة إليها ص س, السنة التحضيرية, ص.

د - أوربيتاليحدده عدد الكم ل = 2 (ن≥ 3) في أي م ل= –2 ، –1 ، 0 ، +1 ، +2 ، أي أنها تتميز بخمسة أنواع مختلفة من الاتجاه في الفضاء. د- يتم الإشارة إلى الأوربتالات الموجهة بالشفرات على طول محاور الإحداثيات دز² و د س ²– ذ² ، وموجهة بواسطة الشفرات على طول المنصفات تنسيق الزوايا – dxy, د yz, dxz.

سبعة Fمداريالمقابلة ل = 3 (ن≥ 4) تم تصويرها على أنها أسطح حدية موضحة في التين. 2.1.

عدد الكمية ن, لو م للا تميز تمامًا حالة الإلكترون في الذرة. لقد ثبت تجريبياً أن للإلكترون خاصية أخرى - الدوران. بشكل مبسط ، يمكن تمثيل السبين على أنه دوران للإلكترون حول محوره. عدد الكم تدور تصلب متعدد له معنيان فقط تصلب متعدد= ± 1/2 ، وهما إسقاطان الزخم الزاويالإلكترون على المحور المحدد. إلكترونات مختلفة تصلب متعدديشار إليها بالسهام لأعلى ولأسفل.

في الذرات متعددة الإلكترونات ، كما في ذرة الهيدروجين ، يتم تحديد حالة الإلكترون من خلال قيم نفس الأرقام الكمومية الأربعة ، ولكن في هذه الحالة لا يكون الإلكترون في مجال النواة فحسب ، بل في المجال أيضًا. من الإلكترونات الأخرى. لذلك ، لا يتم تحديد الطاقة في ذرات متعددة الإلكترونات فقط من خلال الأساسي ، ولكن أيضًا من خلال عدد الكم المداري ، أو بالأحرى من خلال مجموعها: تزداد طاقة المدارات الذرية مع زيادة المجموع ن + ل؛ بنفس المقدار ، يتم ملء المستوى مع المستوى الأصغر أولاً نوكبيرة ل. تزداد طاقة المدارات الذرية وفقًا للسلسلة

1س s p s p s ≈ 3 دص ص ≈ 4 دص ص ≈ 4 F ≈ 5دص ص ≈ 5 F ≈ 6دص.

إذن ، أربعة أرقام كمومية تصف حالة الإلكترون في الذرة وتميز طاقة الإلكترون ودورانه وشكل سحابة الإلكترون واتجاهها في الفضاء. عندما تنتقل ذرة من حالة إلى أخرى ، تتم إعادة هيكلة سحابة الإلكترون ، أي تتغير قيم الأرقام الكمومية ، والتي تكون مصحوبة بامتصاص أو انبعاث كمية الطاقة بواسطة الذرة.

الأرقام الكمية هي معلمات الطاقة التي تحدد حالة الإلكترون ونوع المدار الذري الذي يقع فيه. الأرقام الكمية ضرورية لوصف حالة كل إلكترون في الذرة. 4 أرقام كم فقط. هذا هو: الرقم الكمي الرئيسي -ن, ل، رقم الكم المغناطيسي -ملوعدد الكم تدور - مس.

الرقم الكمي الرئيسي هون.

يحدد رقم الكم الرئيسي - n - مستوى طاقة الإلكترون ، ومسافة مستوى الطاقة من النواة وحجم سحابة الإلكترون. يأخذ الرقم الكمي الأساسي أي قيمة عددية ، بدءًا منن=1 (ن= 1،2،3 ، ...) ويتوافق مع رقم الفترة.

رقم الكم المداري -ل.

رقم الكم المداري -ل- يحدد الشكل الهندسي للمدار الذري. يأخذ العدد الكمي المداري أي قيم صحيحة ، بدءًا منل=0 (ل=0,1,2,3,… ن-واحد). بغض النظر عن رقم مستوى الطاقة ، فإن كل قيمة لرقم الكم المداري تتوافق مع مدار ذي شكل خاص. تسمى "مجموعة" من هذه المدارات التي لها نفس قيم العدد الكمي الأساسي مستوى الطاقة. تتوافق كل قيمة من قيمة العدد الكمي المداري مع مدار ذي شكل خاص. قيمة عدد الكم المداريل= 0 مبارياتس- مداري (نوع واحد). قيمة عدد الكم المداريل= مباراة واحدةص-وربيتال (3 أنواع). قيمة عدد الكم المداريل= 2 مباراةد-وربيتال (5 أنواع). قيمة عدد الكم المداريل= 3 مبارياتF-وربيتال (7 أنواع).

المدارات f لها شكل أكثر تعقيدًا. كل نوع من المدارات هو حجم الفضاء الذي يكون فيه احتمال العثور على الإلكترون هو الحد الأقصى.

عدد الكم المغناطيسي - مل.

رقم الكم المغناطيسي - مل - يحدد اتجاه المدار في الفضاء بالنسبة إلى المجال المغناطيسي أو الكهربائي الخارجي. يأخذ العدد الكمومي المغناطيسي أي قيم صحيحة من -l إلى + l ، بما في ذلك 0. وهذا يعني أنه لكل شكل من أشكال المدار هناك 2l + 1 اتجاهات مكافئة للطاقة في الفضاء - المدارات.

بالنسبة لـ s-orbital:

l = 0 ، m = 0 - اتجاه واحد مكافئ في الفضاء (مدار واحد).

بالنسبة إلى المدار p:

l = 1 ، m = -1،0 ، + 1 - ثلاثة اتجاهات معادلة في الفضاء (ثلاثة مدارات).

بالنسبة لـ D-orbital:

l = 2 ، m = -2 ، -1،0،1،2 - خمسة اتجاهات معادلة في الفضاء (خمسة مدارات).

بالنسبة إلى المدار f:

l = 3، m = -3، -2، -1،0،1،2،3 - سبعة اتجاهات معادلة في الفضاء (سبعة مدارات).

عدد الكم للدوران - مللي ثانية.

يحدد رقم كم الدوران - مللي ثانية - اللحظة المغناطيسية التي تحدث عندما يدور الإلكترون حول محوره. يمكن أن يأخذ العدد الكمي المغزلي قيمتين محتملتين فقط +1/2 و -1/2. إنها تتوافق مع اتجاهين محتملين ومتعاكسين للعزم المغناطيسي للإلكترون - الدوران. تُستخدم الرموز التالية للدلالة على الإلكترونات ذات الدورات المختلفة: 5 و 6 .

الرقم الكمي الأول ن يسمى الرقم الكمي الأساسي ، ويمكن أن يأخذ قيمًا صحيحة من 1 إلى ما لا نهاية. في ذرة الهيدروجين ، يميز هذا الرقم طاقة الإلكترون (in وحدات ذرية):

E (n) \ u003d -ZR / (2 ن 2) ،

حيث Z هي الشحنة النووية ، R = 109678.76 سم -1 هو ثابت ريدبرج.

رقم الكم الثاني ل يسمى الرقم المداري. في قيمة معينة n يمكن أن تأخذ قيمًا صحيحة من 0 إلى (n-1). رقم ل يحدد إحدى القيم الممكنة للزخم الزاوي المداري للإلكترون في الذرة. رقم ليحدد شكل المدار. كل قيمة لتطابق الحرف (تدوين طيفي):

عند تعيين حالة الإلكترون (أو المدار) ، يتم كتابة رقم الكم الرئيسي قبل رمز رقم الكم المداري في شكل صيغة: nl. فمثلا:

4س ن= 4 و ل= 0 ، أي سحابة الإلكترون لها شكل كرة ؛

2صيعني الإلكترون الذي لديه ن= 2 و ل= 1 (سحابة الإلكترون لها شكل دمبل) ، إلخ.

الرقم الكمي الثالث م ل يميز الترتيب المكاني للمدارات . إنها تسمى مغناطيسية. عدد الكمويحدد قيمة إسقاط الزخم الزاوي المداري على الاتجاه المحدد (عادةً المحور z). م ل يأخذ قيمًا صحيحة من - لل + ل.رقم معان مختلفة م لبقيمة معينة ليساوي N = (2 ل+1).

تتوافق حالة الإلكترون مع مدار واحد

تتوافق الحالة p للإلكترون مع ثلاثة مدارات

تتوافق حالة د للإلكترون مع خمسة مدارات

تتوافق حالة f للإلكترون مع سبعة مدارات

وهكذا ، يتميز المدار بمجموعة معينة من ثلاثة أرقام كمية: n ، l ، m.

الرقم الإجماليالمدارات ذات مستوى طاقة معين تساوي ن = ن 2.

عند دراسة خصائص الإلكترون ، أصبح من الضروري إدخال الرقم الكمي الرابع، والذي كان يسمى عدد الكم المغزلي تصلب متعدد .

يميز دوران الإلكترون دوران الإلكترون حول محوره. يمكن أن يكون هذا الدوران في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة بالنسبة إلى مدار الإلكترون. اعتمادا على هذا تصلب متعدد يمكن أن تأخذ إحدى القيمتين:

يميز دوران الإلكترون الخاص به عزم الدورانإلكترون. في ذرة الهيدروجين ، يضاف إليها عزم الدوران المغزلي للإلكترون اللحظة المداريةإلكترون.

وفقًا لمبدأ استبعاد باولي (عالم فيزياء سويسري ، 1925):لا يمكن أن يكون لإلكترونين في الذرة نفس المجموعة المكونة من أربعة أرقام كمومية.هذا يعني أنه إذا كان لإلكترونان في الذرة نفس القيم ن ، لو م ل، ثم يجب أن يكون لديهم معان مختلفة تصلب متعدد .يجب أن يوجه ظهورهم نحو جوانب مختلفة. يمكن لكل مدار أن يحتوي على إلكترونين كحد أقصى مع دوران متعاكس.

نتيجة طبيعية من قانون باولي: الحد الأقصى لعدد الإلكترونات في المستوى هو ضعف مربع الرقم الكمي الأساسي

يخضع الترتيب الذي يتم به ملء مدارات طبقة فرعية معينة حكم هوند:يجب أن يكون إجمالي عدد الإلكترونات الدورانية في طبقة فرعية معينة بحد أقصى.

بمعنى آخر ، تمتلئ مدارات طبقة فرعية معينة أولاً بإلكترون واحد ، ثم بالإلكترون الثاني. تشكل الإلكترونات ذات الدوران المعاكس في نفس المدار سحابة من إلكترونين وإجمالي دورانها يساوي صفرًا.