Много в квантова механикаостава извън разбирането, много изглежда фантастично. Същото важи и за квантовите числа, чиято природа е загадъчна и днес. Статията описва концепцията, видовете и основни принципиработете с тях.

основни характеристики

Цели или полуцели квантови числа за физическите величини определят всички възможни дискретни стойностихарактеризиращи системи от кванти (молекула, атом, ядро) и елементарни частици. Приложението им е тясно свързано със съществуването на константата на Планк. Дискретността на процесите, протичащи в микрокосмоса, отразява квантовите числа и техните физически смисъл. Те са въведени за първи път, за да опишат закономерностите на спектрите на атома. Но физическият смисъл и дискретността на отделните величини бяха разкрити само в квантовата механика.
Множеството, което изчерпателно определя състоянието на тази система, се нарича пълно множество. Всички състояния, отговорни за възможните стойности от такъв набор, образуват пълна система от състояния. квантови числав химията със степените на свобода на електрона го определят в три пространствени координати и вътрешната степен на свобода - спин.

Електронни конфигурации в атомите

Атомът съдържа ядро ​​и електрони, между които съществуват сили от електростатичен характер. Енергията ще се увеличи, когато разстоянието между ядрото и електрона намалява. Смята се, че той ще бъде равен на нула, ако е безкрайно далеч от ядрото. Това състояние се използва като отправна точка. Така се определя относителната енергия на електрона.

Електронната обвивка е съвкупност.Принадлежността към една от тях се изразява с главното квантово число n.

Основен номер

Отнася се за определено енергийно ниво с набор от орбитали, които имат сходни стойности, състоящи се от n= 1, 2, 3, 4, 5... Когато един електрон се движи от една стъпка на друга, той се променя. Имайте предвид, че не всички нивата са запълнени с електрони. При запълването на обвивката на атома се реализира принципът на най-малката енергия. Състоянието му в този случай се нарича невъзбудено или основно.

Орбитални числа

Всяко ниво има орбитали. Тези от тях с подобна енергия образуват подниво. Такова присвояване се прави с помощта на орбиталното (или, както се нарича още, странично) квантово число l, което приема стойности на цели числа от нула до n - 1. Така че електрон, който има главните и орбиталните квантови числа n и l могат да бъдат равни, започвайки с l = 0 и завършвайки с l = n - 1.

Това показва характера на движение на съответното подниво и енергийно ниво. За l = 0 и всяка стойност на n, електронният облак ще има формата на сфера. Неговият радиус ще бъде право пропорционален на n. При l = 1 електронният облак ще приеме формата на безкрайност или осмица. как повече стойност l, толкова по-сложна ще бъде формата и енергията на електроните ще се увеличи.

Магнитни числа

Ml е проекцията на орбиталата (страната) в една или друга посока магнитно поле. Той показва пространствената ориентация на онези орбитали, в които числото l е еднакво. Ml може да има различни стойности 2l + 1, от -l до +l.
Друго магнитно квантово число се нарича спин - ms, което е собствен моментномера на движението. За да разберем това, можем да си представим въртенето на електрона, така да се каже, наоколо собствена ос. Ms може да бъде -1/2, +1/2, 1.
Като цяло за всеки електрон абсолютна стойност spin s = 1/2, а ms означава неговата проекция върху оста.

Принцип на Паули: Един атом не може да съдържа два електрона с четири подобни квантови числа. Поне един от тях трябва да е отличен.
Правилото за съставяне на формулите на атомите.

1. Принципът на минимална енергия. Според нея първо се запълват нивата и поднивата, които са по-близо до ядрото, според правилата на Клечковски.
2. Позицията на елемента показва как електроните са разпределени по енергийните нива и поднива:

• числото съвпада с заряда на атома и броя на неговите електрони;
• периодичното число съответства на броя на енергийните нива;
• номерът на групата е същият като количеството в атома;
• подгрупа показва тяхното разпределение.

Елементарни частици и ядра

Квантовите числа във физиката са техните вътрешни характеристики, които определят взаимодействията и моделите на трансформациите. Освен spin s, това електрически заряд Q, което за всички елементарни частици е равно на нула или цяло число, отрицателно или положително; барионен заряд B (нула или единица в частица, нула или минус единица в античастица); лептонни заряди, където Le и Lm са равни на нула, единица, а в античастицата - нула и минус единица; изотопно завъртане с цяло или полуцяло число; странност S и др. Всички тези квантови числа се отнасят и за двете елементарни частицикакто и към атомните ядра.
AT широк смисълдуми те се наричат ​​физически величини, които определят движението на частица или система и които се запазват. Въпреки това, изобщо не е необходимо те да принадлежат към дискретен спектър от възможни стойности.

Въведение

Цяло или дробни числа, които определят възможните стойности на физическите величини, характеризиращи квантовите системи ( атомно ядро, атом, молекула и т.н.), сеп. елем. частици, хипотетични частици кварки и глуони.

K. h. бяха въведени за първи път във физиката, за да опишат емпирично открити модели на at. спектри, но значението на K. h и свързаната с него дискретност на някои физични величини, характеризиращи поведението на микрочастиците, беше разкрито само квантова механика. Според квантовата механика възможните стойности на физич. количествата се определят сами. стойностите на съответните оператори - непрекъснати или дискретни; в последен случайи възникват някои квантови числа.(В малко по-различен смисъл квантовите числа понякога се наричат ​​величини, които се запазват в процеса на движение, но не е задължително да принадлежат към дискретния спектър от възможни стойности, например импулсът или енергията на свободно движеща се частица.)

квантово лъчение магнитно

квантови числа

квантова електродинамика

Квантовите числа са енергийни параметри, които определят състоянието на електрона и вида атомна орбиталана който се намира. Квантовите числа са необходими, за да се опише състоянието на всеки електрон в атома. Само 4 квантови числа. Това са: главно квантово число - n, орбитално квантово число - l, магнитно квантово число - ml и спиново квантово число - ms. Основното квантово число е n.

Основното квантово число - n - определя енергийното ниво на електрона, разстоянието енергийно нивоот ядрото и размера на електронния облак. Основното квантово число приема всякакви цели числа, започващи от n=1 (n=1,2,3,…) и съответства на номера на периода.

Орбитално квантово число - l. Орбиталното квантово число – l – определя геометрична формаатомна орбитала. Орбиталното квантово число приема всякакви цели числа, започващи от l=0 (l=0,1,2,3,…n-1). Независимо от номера на енергийното ниво, всяка стойност на орбиталното квантово число съответства на орбитала със специална форма. „Набор“ от такива орбитали с еднакви стойности на основното квантово число се нарича енергийно ниво. Всяка стойност на орбиталното квантово число съответства на орбитала със специална форма. Стойността на орбиталното квантово число l=0 съответства на s-орбитала (1-in тип). Стойността на орбиталното квантово число l=1 съответства на p-орбиталите (от 3 вида). Стойността на орбиталното квантово число l=2 съответства на d-орбитали (5 вида). Стойността на орбиталното квантово число l=3 съответства на f-орбитали (7 вида).

маса 1

f-орбиталите имат още повече сложна форма. Всеки тип орбитала е обемът на пространството, в който вероятността за намиране на електрон е максимална.

Магнитно квантово число - ml.

Магнитното квантово число - ml - определя ориентацията на орбиталата в пространството спрямо външното магнитно или електрическо поле. Магнитното квантово число приема произволно цяло число от -l до +l, включително 0. Това означава, че за всяка орбитална форма има 2l+1 енергийно еквивалентни ориентации в орбиталното пространство.

За s-орбитала:

l=0, m=0 - една еквивалентна ориентация в пространството (една орбитала).

За p-орбитала:

l=1, m=-1,0,+1 - три еквивалентни ориентации в пространството (три орбитали).

За d-орбитала:

l=2, m=-2,-1,0,1,2 - пет еквивалентни ориентации в пространството (пет орбитали).

За f орбитала:

l=3, m=-3,-2,-1,0,1,2,3 - седем еквивалентни ориентации в пространството (седем орбитали).

Спиново квантово число - ms.

Квантовото число на спина - ms - определя магнитния момент, който възниква, когато електронът се върти около оста си. Квантовото число на спина може да приеме само две възможни стойности +1/2 и -1/2. Те съответстват на две възможни и противоположни собствени посоки магнитен моментелектрон - завъртания.

Квантова електродинамика

(QED), квантова теория на взаимодействащите електронно-магнитни полета и заредени частици. Често QED се нарича тази част от кванта. теория на полето, която разглежда взаимодействието на електрон-магнитни и електрон-позитронни полета. Електронно-магнитното поле в такава теория се явява като калибровано поле. Квантът на това поле е фотон - частица с нулева маса на покой и спин 1, а взаимодействието на два елемента е резултат от обмена на виртуални фотони между тях. Безразмерната константа, характеризираща интензивността на взаимодействието, е константата фина структура a=e2/ћc»I/137 (по-точно a-1=137.035987(29)). Поради малката стойност на a, основният метод за изчисление в QED е теорията на смущенията, визуална графично изображениекоето се дава от диаграми на Файнман.

Правилността на QED е потвърдена от огромен брой експерименти в целия наличен диапазон от разстояния (енергии), като се започне от космическите - 1020 см и до вътрешночастичните - 10-16 см. QED описва такива процеси като топлинно излъчванетела, ефект на Комптън, спирачно лъчениеи т.н. Но най-характерни за КЕД са процесите, свързани с поляризацията на вакуума.

Първият наблюдаван QED ефект е промяната на Lamb в нивата на анергия. С рекордна точност т.нар. необичаен магнит. имейл момент. Магн. моментна величина, която определя взаимодействието на частица в покой с вътр. магн. поле. От квантовата. Теорията на Дирак за el-n следва, че el-n трябва да има магнитен момент, равен на магнетона на Бор: mB = ећ/2mc (където m е масата на el-on). В QED корекциите, които се появяват в израза за енергията на такова взаимодействие, естествено могат да се интерпретират като резултат от появата на „вакуумни“ добавки към магнитния момент. Тези добавки, за първи път теоретично изследвани от американския физик J. Schwinger, се наричат ​​аномален магнитен момент.

Изчислената стойност на магнитния момент e-on m

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

е в отлично съответствие с експерименталната стойност: mexp=1.00115965241(21)mB

Характерен ефект на QED е разсейването на светлина от светлина. В класическата електродинамика този ефект отсъства: електромагнитните вълни се считат за невзаимодействащи. При QED ефектът става възможен поради действието на електрон-позитронния вакуум с флуктуации.

AT Първоначално състояние-- два фотона ( вълнообразни линии); един от тях изчезва в точка 1, пораждайки виртуална двойка електрон-позитрон (плътни линии); вторият фотон в точка 2 се поглъща от една от частиците на тази двойка (в горната диаграма от позитрон). Тогава се появяват крайните фотони: единият се ражда в точка 4 от виртуален електрон, другият възниква в резултат на унищожаването на виртуална двойка електрон-позитрон в точка 3. Благодарение на виртуалните двойки електрон-позитрон се появява взаимодействие между фотони, т.е. принципът на суперпозицията електромагнитни вълние нарушено. Това трябва да се прояви в процеси като разсейване на светлина от светлина. Експериментално е наблюдаван процесът на разсейване на фотони от външно електростатично поле, който има малко по-голяма вероятност тежко ядро, т.е. върху виртуални фотони (разсейване на Делбрюк). "По-високи" (радиационни) корекции, изчислени по метода на смущението, се появяват и при разсейването на заредени частици и при някои други явления.

Друг клас "вакуумни" ефекти, предвидени от теорията, е създаването на частици-античастици в много силни (както статични, така и променливи) електромагнитни и гравитационни полета. Последните се обсъждат по-специално във връзка с космологични проблеми, свързани с ранните фази на еволюцията на Вселената (производство на двойки в гравитационното поле на черните дупки).

Този процес е пример за тясното преплитане на физиката на лептоните и адроните. Важността на анализирането на процеси от този вид се увеличи особено след появата на експерименти върху сблъскващи се лъчи електрон-позитрон.

(QFT), релативистичен квант. теория на физиката. системи с безкраен брой степени на свобода. Пример за такава система е електромагнитно поле, напр пълно описаниекоето във всеки един момент изисква определяне на силата на електрическите и магнитните полета във всяка точка на pr-va, т.е. задаването на безкраен брой величини. За разлика от това, позицията на частица във всеки момент от времето се определя чрез определяне на нейните три координати.

Досега разглеждахме свободни невзаимодействащи частици, чийто брой остава непроменен; както е лесно да се покаже с помощта на отношения (6), операторът на числото на частиците N^(n)=a+na-n комутира с енергийния оператор?^=S?(p)N^(p), така че броят на частиците трябва да бъде постоянен, т.е. липсват процесите на поява на допълнителни частици, тяхното изчезване и взаимно превръщане. Отчитането на тези процеси изисква включването на взаимодействието на частиците.

Взаимодействие в QTP.

В класическата електродинамика взаимодействието между заредените частици се осъществява чрез поле: един заряд създава поле, което действа върху други заряди. В квантовата теория взаимодействието електромагнитно полеи заредената частица изглежда като излъчване и поглъщане на части от фотони, а взаимодействието между заредените частици е резултат от техния обмен на фотони: всеки от електроните излъчва фотони (кванти на електромагнитно поле, което носи взаимодействието), които са след това погълнати от други. Този модел на взаимодействие се дължи на специално имуществоелектродинамика и др. н. калибровъчна симетрия. Подобен механизъм на взаимодействие все повече се потвърждава за други физически. полета. Свободната частица обаче не може нито да излъчва, нито да абсорбира квант. Например, в система, в която частицата е в покой, излъчването на квант изисква разход на енергия и намаляване на масата на частицата (поради еквивалентността на енергия и маса), което е невъзможно. За да разрешим този парадокс, трябва да вземем предвид, че частици -- квант. обекти, за които отношението D?Dt? и, следователно, излъчването или поглъщането на полеви кванти, при условие че тези кванти съществуват през времевия интервал Dt?ћ/D?. (Въз основа на тези разсъждения и факта на действието на ядрените сили на къси разстояния японският физик X. Юкава предсказа съществуването на частица - носител на ядрено действие с маса приблизително 200-300 електронни маси, който впоследствие е открит експериментално и наречен р-мезон.) генератори и усилватели на електромагнитни вълни, основани на явлението стимулирано (индуцирано) излъчване. Принципът на работа на микровълновия квантов генератор, наречен мазер (съкращение от английски думиМикровълново усилване чрез стимулирано излъчване на радиация, което означава "микровълново усилване поради стимулирано излъчване"), е предложено през 1954 г. от C. Towns. (Същият принцип е в основата на оптичните квантови усилватели и лазерните генератори.) Тъй като честотата на излъчване на изхода на квантовия генератор се определя от строго фиксирани, дискретни енергийни нива на атоми или молекули активна средаизползван в такъв генератор, той има добре дефинирана и постоянна стойност.

Спонтанно и принудително излъчване.

Енергия електромагнитно излъчванесе освобождава или поглъща под формата на отделни "порции", наречени кванти или фотони, като енергията на един квант е равна на hn, където h е константата на Планк, а n е честотата на излъчване. Когато един атом абсорбира квант енергия, той преминава на по-високо енергийно ниво, т.е. един от неговите електрони скача на орбита, по-отдалечена от ядрото. Прието е да се казва, че тогава атомът преминава във възбудено състояние. Атом във възбудено състояние може да отдаде натрупаната енергия различни начини. един възможен път- спонтанно излъчва квант със същата честота, след което се връща в първоначалното си състояние.

Това е процес спонтанно излъчване(емисии), схематично показани на фиг. 3 Вкл високи честоти, т.е. при малки дължини на вълните, съответстващи на видимата светлина, спонтанното излъчване възниква много бързо.

Възбуден атом, погълнал фотон от видима светлина, обикновено губи придобитата енергия в резултат на спонтанно излъчване за по-малко от една милионна от секундата.

Процесът на спонтанно излъчване при по-ниски честоти се забавя.

Освен това атомът може да премине в някакво междинно състояние, губейки само част от енергията си под формата на фотон с по-ниска енергия, излъчен от него.

Във водородния атом има само един електрон и неговият емисионен спектър е относително прост. В емисионните спектри на атомите на други елементи броят на линиите е по-голям. Дори преди появата на модела на Бор, физиците се научиха да различават близко разположени линии в такива спектри, които се различават по външен вид. Някои от тях (много тесни) се наричат ​​"остри" (от англ. остър). Най-ярките линии бяха наречени "главни" (от английския принцип). Наблюдаваха се по-широки линии - те бяха наречени "размазани" (дифузни). Друг вид линии се наричат ​​"фундаментални" (от английски fundamental). Първи букви английски заглавияте говориха за наличието на s-, p-, d- и f-линии в емисионните спектри. Приложено към модела на Бор, това означава, че в спектрите на атоми, по-сложни от водорода, постоянните електронни нива могат да се състоят от няколко близко разположени поднива:

S-поднивото е кръстено на "острата" линия,

p-поднивото е кръстено на "основната" линия,

D-поднивото е кръстено на "дифузната", "размита" (дифузна) линия, f-поднивото е кръстено на "фундаменталната" линия.

Сложната подредба на нивата е показана на фиг. 4, която отново възпроизвеждаме тук:

Електронните поднива на атомите са по-сложни от водорода. Наличието на поднива обяснява произхода на "остри" (остри), "основни" (принцип) и "размити" (дифузни) линии в спектрите. | Повече ▼ високи ниване е показано на фигурата.

Използвайки спектрите, се оказа, че първото ниво (n = 1) не съдържа никакви поднива с изключение на s. Второто ниво се състои от две поднива (s и p), 3-то ниво се състои от три поднива (s, p и d) и т.н. Както виждаме, поднивата са обозначени с първите букви от английските наименования на съответните линии в спектрите. В бъдеще по-високите поднива започнаха да се обозначават просто с продължаване латиница: g-подслой, h-подслой и др.

Фигура 5 показва диаграма на част от енергийните преходи на електрони в литиев атом, получена от емисионния спектър на горещи пари на този метал.

Диаграма на част от енергийните нива и поднива на литиевия атом. Ниво 1s е много по-ниско от ниво 2s и не се вписва в скалата на изображението (извлечено от книгата на J. Campbell „Modern обща химия", М.: Мир, 1975, том 1, стр. 109).

Може да се види, че на фиг. 5 някои поднива са показани като състоящи се от няколко "рафта" с една и съща енергия. Например p-поднивата се състоят от три части от една и съща енергия, d-поднивата - от пет, f-поднивата - от седем. Откъде се разбра? Още през 1896 г. немският физик П. Зееман поставя устройство в силно магнитно поле, подобно на водородна лампа, но изпълнено с горещи натриеви пари. Установено е, че броят на линиите в емисионните спектри се увеличава в магнитно поле (ефектът на Зееман). Подобно явление се наблюдава и в силно електрическо поле. Докато се засягат само електроните вътрешни силиядра, някои от тях могат да бъдат в състояние с еднаква енергия. Но когато се появи допълнително, външно поле, тази енергия вече не може да остане същата. Анализът на спектрите на Zeeman много по-късно доведе физика-теоретик Волфганг Паули до идеята, че не повече от два електрона могат да се поберат на един енергиен "рафт". И за да издържат на мощни сили на отблъскване, такива електрони трябва да имат различни спинове (ще се върнем към това свойство малко по-късно). Оказва се, че един атом не може да има два електрона в едно и също състояние. Това заключение е известно като принципа на Паули (или забраната).

Физическите експерименти позволяват да се определи популацията на нива и поднива чрез електрони. За да направите това, е необходимо да измерите йонизационната енергия на атомите, т.е. енергията за отстраняване на електрони от него. Първо измерете енергията, необходима за отстраняване на първия електрон от атома, след това на 2-рия, 3-тия и т.н. Оказа се, че във всички атоми има електрони, за които енергиите на йонизация са близки. Например за аргона (електронната му обвивка има 18 електрона) са открити пет такива групи с близки енергии на йонизация. Те имат 2, 2, 6, 2 и 6 електрона. Но 5-те най-ниски енергийни нива на атома съответстват на поднива 1s, 2s, 2p, 3s и 3p (това е известно от емисионните спектри). В този случай s-поднивото трябва да се състои само от една орбитала (има 2 електрона), p-поднивото - от три орбитали (има 6 електрона - по два за всяка орбитала). Може да се покаже, че d-поднивото в нормални условия(без външно поле) се състои от пет орбитали с еднаква енергия, а f-поднивото се състои от седем.

Моделът на Бор постепенно се усъвършенства. Той привлече учените с факта, че с негова помощ беше възможно да се направят доста точни изчисления. Например, може да се изчисли енергията на водороден атом в основно и възбудено състояние, да се определи неговият радиус, да се изчисли йонизационната енергия и т.н. За тези цели моделът беше оборудван с ясна и разбираема за много изследователи математически апарат, който е разработен главно от самия Н. Бор и неговия последовател А. Зомерфелд. За извършване на изчисления беше необходимо да се опише състоянието на електрон в атом, т.е. посочете точния му "адрес" в електронната обвивка (по-точно в модела електронна обвивка) с помощта на така наречените квантови числа. Вече знаем, че всеки електрон съществува на някакво ниво (1, 2, 3 и т.н.). Това ниво се означава с числото n, което се нарича главно квантово число. Ясно е, че числото n може да приема само цели числа.

Тъй като на нивата вече е присвоено основното квантово число n, за поднивата е въведено спомагателно квантово число l. Ако главното квантово число n е „адресът“ на нивото, то числото l е „адресът“ на поднивото:

l = 0 е s-подслой, l = 1 е p-подслой, l = 2 е d-подслой, l = 3 е f-подслой.

основен . Определя енергията на електрона във водороден атом и едноелектронни системи (He +, Li 2+ и др.). В този случай енергията на електрона

Орбитално квантово число л характеризира формата на орбиталите и приема стойности от 0 до н- 1. В допълнение към числов лима букви

Електрони със същата стойност лобразуват подниво.

Квантово число лопределя квантуването на орбиталния ъглов момент на електрона в сферично симетричното Кулоново поле на ядрото.

Квантово число m l Наречен магнитен . Той определя пространственото разположение на атомната орбитала и взема цели числа от - лдо + лпрез нула, тоест 2 л+ 1 стойности. Местоположението на орбиталата се характеризира със стойността на проекцията на вектора на орбиталния ъглов момент Mzна която и да е координатна ос (обикновено оста z):

Всичко по-горе може да бъде представено в таблица:

Орбитално квантово число Магнитно квантово число Брой орбитали с дадена стойност л –2, –1, 0, +1, +2 –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3

Таблица 2.1. Броят на орбиталите в енергийните поднива.

Орбитали от същото подниво ( л= const) имат същата енергия. Такова състояние се нарича изродени в енергия. Така стр-орбитален - три пъти, д- пет пъти и fса седем пъти изродени.

Гранични повърхности с-, стр-, д-, f- орбиталите са показани на фиг. 2.1.

с - Орбиталисферично симетричен за всеки ни се различават един от друг само по размера на сферата. Тяхната максимално симетрична форма се дължи на факта, че при л= 0 и μ л = 0.

стр - Орбиталисъществуват при н≥ 2 и л= 1, така че има три възможни ориентации в пространството: m l= -1, 0, +1. Всички p-орбитали имат възлова равнина, разделяща орбиталата на две области, така че граничните повърхности са с форма на дъмбел, ориентирани в пространството под ъгъл от 90° една спрямо друга. Осите на симетрия за тях са координатни оси, които са означени px, py, pz.

д - Орбиталиопределя се от квантовото число л = 2 (н≥ 3), при което m l= –2, –1, 0, +1, +2, т.е. те се характеризират с пет варианта на ориентация в пространството. д-Означени са орбитали, ориентирани с лопатки по координатните оси дз² и d x ²– г², и ориентиран от лопатките по ъглополовящите координатни ъгли – dxy, d yz, dxz.

Седем f-орбиталисъответстващ л = 3 (н≥ 4) са изобразени като гранични повърхности, показани на фиг. 2.1.

квантови числа н, ли m lне характеризират напълно състоянието на електрона в атома. Експериментално е установено, че електронът има още едно свойство - спин. Опростено спинът може да бъде представен като въртене на електрон около собствената му ос. Спиново квантово число Госпожица има само две значения Госпожица= ±1/2, което са две проекции ъглов моментелектрон върху избраната ос. електрони с различни Госпожицаобозначени със стрелки нагоре и надолу.

В многоелектронните атоми, както при водородния атом, състоянието на електрона се определя от стойностите на същите четири квантови числа, но в този случай електронът е не само в полето на ядрото, но и в полето на други електрони. Следователно енергията в многоелектронните атоми се определя не само от главното, но и от орбиталното квантово число, или по-скоро от тяхната сума: енергията на атомните орбитали нараства с нарастването на сумата н + л; със същото количество първо се запълва нивото с по-малкото ни голям л. Енергията на атомните орбитали нараства според серията

1с s p s p s ≈ 3 д p s ≈ 4 д p s ≈ 4 f ≈ 5д p s ≈ 5 f ≈ 6дстр.

И така, четири квантови числа описват състоянието на електрона в атома и характеризират енергията на електрона, неговия спин, формата на електронния облак и неговата ориентация в пространството. Когато атомът преминава от едно състояние в друго, електронният облак се преструктурира, т.е. стойностите на квантовите числа се променят, което е придружено от поглъщане или излъчване на енергийни кванти от атома.

Квантовите числа са енергийни параметри, които определят състоянието на електрона и вида на атомната орбитала, в която се намира. Квантовите числа са необходими, за да се опише състоянието на всеки електрон в атома. Само 4 квантови числа. Това е: основното квантово число -н, л, магнитно квантово число -мли спиново квантово число - mс.

Основното квантово число ен.

Основното квантово число – n – определя енергийното ниво на електрона, разстоянието на енергийното ниво от ядрото и размера на електронния облак. Главното квантово число приема произволна цяло число, започвайки сн=1 (н=1,2,3,…) и съответства на номера на периода.

Орбитално квантово число -л.

Орбитално квантово число -л- определя геометричната форма на атомната орбитала. Орбиталното квантово число приема всякакви цели числа, започвайки отл=0 (л=0,1,2,3,… н-един). Независимо от номера на енергийното ниво, всяка стойност на орбиталното квантово число съответства на орбитала със специална форма. „Набор“ от такива орбитали с еднакви стойности на основното квантово число се нарича енергийно ниво. Всяка стойност на орбиталното квантово число съответства на орбитала със специална форма. Стойността на орбиталното квантово числол=0 съвпаденияс-орбитален (1-in тип). Стойността на орбиталното квантово числол=1 съвпадениестр-орбитали (3 вида). Стойността на орбиталното квантово числол=2 съвпадениед-орбитали (5 вида). Стойността на орбиталното квантово числол=3 съвпадениеf-орбитали (7 вида).

f-орбиталите имат още по-сложна форма. Всеки тип орбитала е обемът на пространството, в който вероятността за намиране на електрон е максимална.

Магнитно квантово число - ml.

Магнитното квантово число - ml - определя ориентацията на орбиталата в пространството спрямо външно магнитно или електрическо поле. Магнитното квантово число приема всякакви цели числа от -l до +l, включително 0. Това означава, че за всяка форма на орбитала има 2l + 1 енергийно еквивалентни ориентации в пространството - орбитали.

За s-орбитала:

l=0, m=0 - една еквивалентна ориентация в пространството (една орбитала).

За p-орбитала:

l=1, m=-1,0,+1 - три еквивалентни ориентации в пространството (три орбитали).

За d-орбитала:

l=2, m=-2,-1,0,1,2 - пет еквивалентни ориентации в пространството (пет орбитали).

За f орбитала:

l=3, m=-3,-2,-1,0,1,2,3 - седем еквивалентни ориентации в пространството (седем орбитали).

Спиново квантово число - ms.

Квантовото число на спина - ms - определя магнитния момент, който възниква, когато електронът се върти около оста си. Квантовото число на спина може да приеме само две възможни стойности +1/2 и -1/2. Те съответстват на две възможни и противоположни посоки на собствения магнитен момент на електрона - спинове. Следните символи се използват за означаване на електрони с различни спинове: 5 и 6 .

Първо квантово число н наречено главно квантово число, то може да приема цели числа от 1 до безкрайност. Във водородния атом това число характеризира енергията на електрона (в атомни единици):

E (n) \u003d -ZR / (2 n 2),

където Z е ядреният заряд, R=109678,76 cm -1 е константата на Ридберг.

Второ квантово число л наречено орбитално число. При определена стойност n може да приема цели числа от 0 до (n-1). Номер л определя една от възможните стойности на орбиталния ъглов импулс на електрон в атом. Номер лопределя формата на орбиталата. Всяка стойност лсъответства на буквата (спектроскопична нотация):

Когато се обозначава състоянието на електрон (или орбитала), главното квантово число се записва преди символа на орбиталното квантово число под формата на формула: nl. Например:

4с н=4 и л=0, т.е. електронният облак има формата на топка;

2строзначава електрон, който има н=2 и л=1 (електронният облак има формата на дъмбел) и т.н.

Трето квантово число m l характеризира пространственото разположение на орбиталите . Нарича се магнитен. квантово числои определя стойността на проекцията на орбиталния ъглов момент върху избраната посока (обикновено оста z). m l взема цели числа от − лдо + л.Номер различни значения m lна определена стойност ле равно на N=(2 л+1).

s-състоянието на електрона съответства на една орбитала

P-състоянието на електрона съответства на три орбитали

D-състоянието на електрона съответства на пет орбитали

F-състоянието на електрона съответства на седем орбитали

Така орбиталата се характеризира с определен набор от три квантови числа: n, l, m.

Общ бройорбитали на дадено енергийно ниво е равно на N=n2.

При изучаването на свойствата на електрона стана необходимо да се въведе четвъртото квантово число, което беше наречено спиново квантово число Госпожица .

Спинът на електрона характеризира въртенето на електрона около собствената му ос. Това въртене може да бъде по или обратно на часовниковата стрелка спрямо орбитата на електрона. В зависимост от това Госпожица може да приеме една от двете стойности:

Спинът на електрона характеризира своя собствена въртящ моментелектрон. Във водородния атом се добавя въртящият момент на електрона орбитален моментелектрон.

Според принципа на изключване на Паули (швейцарски физик, 1925):два електрона в един атом не могат да имат еднакъв набор от четири квантови числа.Това означава, че ако 2 електрона в един атом имат еднакви стойности n,lи m l, тогава те трябва да имат различни значения Госпожица .Гърбът им трябва да е насочен към различни страни. Всяка орбитала може да побере максимум 2 електрона с противоположни спинове.

Следствие от закона на Паули: максималният брой електрони в ниво е два пъти квадрата на главното квантово число

Редът, в който се запълват орбиталите на даден подслой, зависи от Правилото на Хунд:Общият спинов брой на електроните в даден подслой трябва да бъде максимален.

С други думи, орбиталите на даден подслой се запълват първо с един електрон, след това с втори електрон. Електрони с противоположни спинове в една и съща орбитала образуват двуелектронен облак и общият им спин е нула.