Mnogo unutra kvantna mehanika ostaje izvan shvaćanja, mnogo toga se čini fantastičnim. Isto vrijedi i za kvantne brojeve, čija je priroda i danas tajanstvena. U članku se opisuje koncept, vrste i generalni principi raditi s njima.

opće karakteristike

Cjelobrojni ili polucijeli kvantni brojevi za fizikalne veličine određuju sve moguće diskretne vrijednosti karakteriziranje sustava kvanta (molekula, atom, jezgra) i elementarnih čestica. Njihova je primjena usko povezana s postojanjem Planckove konstante. Diskretnost procesa koji se odvijaju u mikrokozmosu odražava kvantne brojeve i njihove fizičko značenje. Prvo su uvedeni kako bi se opisale pravilnosti spektra atoma. Ali fizikalni smisao i diskretnost pojedinih veličina otkriveni su tek u kvantnoj mehanici.
Skup koji iscrpno određuje stanje ovog sustava naziva se kompletan skup. Sva stanja odgovorna za moguće vrijednosti iz takvog skupa čine cjelovit sustav stanja. kvantni brojevi u kemiji, sa stupnjevima slobode elektrona, definiraju ga u tri prostorne koordinate i unutarnji stupanj slobode - spin.

Elektronske konfiguracije u atomima

Atom sadrži jezgru i elektrone, između kojih postoje sile elektrostatske prirode. Energija će rasti kako se udaljenost između jezgre i elektrona smanjuje. Vjeruje se da će biti jednak nuli ako je beskonačno udaljen od jezgre. Ovo stanje se koristi kao početna točka. Tako je određena relativna energija elektrona.

Elektronska ljuska je skup.Pripadnost jednom od njih izražava se glavnim kvantnim brojem n.

Glavni broj

Odnosi se na određenu energetsku razinu sa skupom orbitala koje imaju slične vrijednosti, a sastoji se od n= 1, 2, 3, 4, 5… Kada se elektron pomiče s jednog koraka na drugi, on se mijenja. Imajte na umu da nisu svi razine su ispunjene elektronima. Prilikom punjenja ljuske atoma ostvaruje se princip najmanje energije. Njegovo stanje u ovom slučaju naziva se nepobuđeno ili osnovno.

Orbitalni brojevi

Svaka razina ima orbitale. Oni od njih sa sličnom energijom tvore podrazinu. Takva se dodjela vrši pomoću orbitalnog (ili, kako se još naziva, bočnog) kvantnog broja l, koji poprima vrijednosti cijelih brojeva od nule do n - 1. Dakle, elektron koji ima glavni i orbitalni kvantni broj n i l mogu biti jednaki, počevši od l = 0 do l = n - 1.

Ovo pokazuje prirodu kretanja odgovarajuće podrazine i energetske razine. Za l = 0 i bilo koju vrijednost n, elektronski oblak će imati oblik kugle. Njegov polumjer bit će izravno proporcionalan n. Pri l = 1, elektronski oblak će poprimiti oblik beskonačnosti ili osmice. Kako više vrijednosti l, to će oblik biti složeniji, a energija elektrona će se povećati.

Magnetski brojevi

Ml je projekcija orbitale (strane) na jedan ili drugi smjer magnetsko polje. Ona pokazuje prostornu orijentaciju onih orbitala u kojima je broj l isti. Ml može imati različite vrijednosti 2l + 1, od -l do +l.
Drugi magnetski kvantni broj naziva se spin - ms, što je vlastiti trenutak brojevi kretanja. Da bismo ovo razumjeli, možemo zamisliti rotaciju elektrona, tako reći, oko sebe vlastitu os. Ms može biti -1/2, +1/2, 1.
Općenito, za bilo koji elektron apsolutna vrijednost spin s = 1/2, a ms označava njegovu projekciju na os.

Paulijev princip: Atom ne može sadržavati dva elektrona s četiri slična kvantna broja. Barem jedan od njih mora biti odličan.
Pravilo sastavljanja formula atoma.

1. Načelo minimalne energije. Prema njemu se prvo popunjavaju razine i podrazine koje su bliže jezgri, prema pravilima Klečkovskog.
2. Položaj elementa pokazuje kako su elektroni raspoređeni po energetskim razinama i podrazinama:

• broj se podudara s nabojem atoma i brojem njegovih elektrona;
• periodični broj odgovara broju energetskih razina;
• broj grupe je isti kao količina u atomu;
• podskupina prikazuje njihovu distribuciju.

Elementarne čestice i jezgre

Kvantni brojevi u fizici su njihove unutarnje karakteristike koje određuju interakcije i obrasce transformacija. Osim spin s, ovo električno punjenje Q, koji je za sve elementarne čestice jednak nuli ili cijelom broju, negativan ili pozitivan; barionski naboj B (nula ili jedan u čestici, nula ili minus jedan u antičestici); leptonski naboji, gdje su Le i Lm jednaki nuli, jedan, au antičestici - nula i minus jedan; izotopski spin s cijelim ili polucijelim brojem; neobičnost S i drugi. Svi ovi kvantni brojevi vrijede za oboje elementarne čestice kao i na atomske jezgre.
NA široki smisao riječima se nazivaju fizikalne veličine koje određuju gibanje čestice ili sustava i koje su očuvane. Međutim, uopće nije nužno da pripadaju diskretnom spektru mogućih vrijednosti.

Uvod

Cijeli ili razlomački brojevi, koji određuju moguće vrijednosti fizikalnih veličina koje karakteriziraju kvantne sustave ( atomska jezgra, atom, molekula itd.), sep. elem. čestice, hipotetske čestice kvarkovi i gluoni.

K. h. su prvi put uvedeni u fiziku kako bi opisali empirijski pronađene obrasce at. spektra, međutim, značenje K. h. i povezana diskretnost nekih fizikalnih veličina koje karakteriziraju ponašanje mikročestica otkriveno je tek kvantna mehanika. Prema kvantnoj mehanici, moguće vrijednosti fizikalnih. količine određuju vlastite. vrijednosti odgovarajućih operatora - kontinuirani ili diskretni; u posljednji slučaj i pojavljuju se neki kvantni brojevi. (U malo drugačijem smislu, kvantni brojevi se ponekad nazivaju veličinama koje su sačuvane u procesu gibanja, ali ne pripadaju nužno diskretnom spektru mogućih vrijednosti, na primjer, impuls ili energija čestica koja se slobodno kreće.)

kvantno zračenje magnetic

kvantni brojevi

kvantna elektrodinamika

Kvantni brojevi su energetski parametri koji određuju stanje i vrstu elektrona atomska orbitala na kojoj se nalazi. Kvantni brojevi su neophodni za opisivanje stanja svakog elektrona u atomu. Samo 4 kvantna broja. To su: glavni kvantni broj - n, orbitalni kvantni broj - l, magnetski kvantni broj - ml i spinski kvantni broj - ms. Glavni kvantni broj je n.

Glavni kvantni broj - n - određuje razinu energije elektrona, udaljenost razina energije od jezgre i veličine elektronskog oblaka. Glavni kvantni broj ima bilo koju cjelobrojnu vrijednost počevši od n=1 (n=1,2,3,…) i odgovara broju razdoblja.

Orbitalni kvantni broj - l. Orbitalni kvantni broj - l - određuje geometrijski oblik atomska orbitala. Orbitalni kvantni broj ima bilo koju cjelobrojnu vrijednost počevši od l=0 (l=0,1,2,3,…n-1). Bez obzira na broj energetske razine, svakoj vrijednosti orbitalnog kvantnog broja odgovara orbitala posebnog oblika. "Skup" takvih orbitala s istim vrijednostima glavnog kvantnog broja naziva se energetskom razinom. Svakoj vrijednosti orbitalnog kvantnog broja odgovara orbitala posebnog oblika. Vrijednost orbitalnog kvantnog broja l=0 odgovara s-orbitali (1-in tip). Vrijednost orbitalnog kvantnog broja l=1 odgovara p-orbitalama (3 tipa). Vrijednost orbitalnog kvantnog broja l=2 odgovara d-orbitalama (5 vrsta). Vrijednost orbitalnog kvantnog broja l=3 odgovara f-orbitalama (7 vrsta).

stol 1

f-orbitale imaju još više složenog oblika. Svaka vrsta orbitale je volumen prostora u kojem je vjerojatnost pronalaska elektrona najveća.

Magnetski kvantni broj - ml.

Magnetski kvantni broj - ml - određuje orijentaciju orbitale u prostoru u odnosu na vanjski magnetski ili električno polje. Magnetski kvantni broj ima bilo koju cjelobrojnu vrijednost od -l do +l, uključujući 0. To znači da za svaki oblik orbite postoji 2l+1 energetski ekvivalentna orijentacija u orbitalnom prostoru.

Za s-orbitalu:

l=0, m=0 - jedna ekvivalentna orijentacija u prostoru (jedna orbitala).

Za p-orbitalu:

l=1, m=-1,0,+1 - tri ekvivalentne orijentacije u prostoru (tri orbitale).

Za d-orbitalu:

l=2, m=-2,-1,0,1,2 - pet ekvivalentnih orijentacija u prostoru (pet orbitala).

Za f orbitalu:

l=3, m=-3,-2,-1,0,1,2,3 - sedam ekvivalentnih orijentacija u prostoru (sedam orbitala).

Spinski kvantni broj - ms.

Spinski kvantni broj - ms - određuje magnetski moment koji se javlja kada se elektron okreće oko svoje osi. Spinski kvantni broj može imati samo dvije moguće vrijednosti +1/2 i -1/2. Oni odgovaraju dvama vlastitim mogućim i suprotnim smjerovima magnetski moment elektron – spinovi.

Kvantna elektrodinamika

(QED), kvantna teorija međusobnog djelovanja elektron-magnetskih polja i nabijenih čestica. Često se QED naziva taj dio kvanta. teorija polja, koja razmatra međudjelovanje elektron-magnetskog i elektron-pozitronskog polja. Elektronsko-magnetsko polje u takvoj teoriji pojavljuje se kao baždarno polje. Kvant ovog polja je foton - čestica s nultom masom mirovanja i spinom 1, a međudjelovanje dva elementa rezultat je izmjene virtualnih fotona između njih. Bezdimenzijska konstanta koja karakterizira intenzitet interakcije je konstanta fine strukture a=e2/ćc»I/137 (točnije a-1=137.035987(29)). Zbog male vrijednosti a, glavna metoda proračuna u QED-u je teorija poremećaja, vizuala grafička slika koja je dana Feynmanovim dijagramima.

Ispravnost QED-a potvrđena je ogromnim brojem eksperimenata u cijelom dostupnom rasponu udaljenosti (energija), počevši od kozmičkih - 1020 cm pa do unutarčestičnih - 10-16 cm. QED opisuje takve procese kao toplinsko zračenje tijela, Compton efekt, kočno zračenje itd. Međutim, najtipičniji za QED su procesi povezani s polarizacijom vakuuma.

Prvi opaženi QED učinak je Lambov pomak u razinama anergije. S rekordnom točnošću, tzv. abnormalni magnet. trenutak e-pošte. Magn. moment-veličina koja određuje međudjelovanje čestice u mirovanju s ekst. magn. polje. Od kvantne. Iz Diracove teorije el-n slijedi da el-n mora imati magnetski moment jednak Bohrovom magnetonu: mB = eć/2mc (gdje je m masa el-on). U QED-u, korekcije koje se pojavljuju u izrazu za energiju takve interakcije mogu se prirodno protumačiti kao rezultat pojave "vakuumskih" dodataka magnetskom momentu. Ti dodaci, koje je prvi teorijski proučavao američki fizičar J. Schwinger, nazivaju se anomalni magnetski moment.

Izračunata vrijednost magnetskog momenta e-on m

teor=mB (1+a/2p- 0,328478(a/p)2+1,184175(a/p)3=1,00115965236(28)mB

izvrsno se slaže s eksperimentalnom vrijednošću: mexp=1,00115965241(21)mB

Karakterističan učinak QED-a je raspršenje svjetlosti po svjetlosti. U klasičnoj elektrodinamici, ovaj učinak je odsutan: elektromagnetski valovi se u njemu smatraju neinteragirajućim. U QED-u učinak postaje moguć zbog djelovanja elektron-pozitronskog vakuuma s fluktuacijama.

NA početno stanje-- dva fotona ( valovite linije); jedan od njih nestaje u točki 1, stvarajući virtualni par elektron-pozitron (pune linije); drugi foton u točki 2 apsorbira jedna od čestica ovog para (u gornjem dijagramu, pozitron). Tada se pojavljuju konačni fotoni: jedan se rađa u točki 4 od virtualnog elektrona, drugi nastaje kao rezultat anihilacije virtualnog para elektron-pozitron u točki 3. Zahvaljujući virtualnim parovima elektron-pozitron pojavljuje se interakcija između fotona, tj. princip superpozicije Elektromagnetski valovi se krši. To bi se trebalo očitovati u procesima kao što je raspršenje svjetlosti po svjetlosti. Eksperimentalno je promatran proces raspršenja fotona vanjskim elektrostatskim poljem koji ima nešto veću vjerojatnost. teška jezgra, tj. na virtualnim fotonima (Delbrückovo raspršenje). "Viši" (radijacijski) ispravci izračunati perturbacijskom metodom također se pojavljuju kod raspršenja nabijenih čestica i kod nekih drugih pojava.

Druga klasa "vakuumskih" učinaka predviđenih teorijom je stvaranje čestica-antičestica u vrlo jakim (i statičkim i promjenjivim) elektromagnetskim i gravitacijskim poljima. Potonji se posebno raspravljaju u vezi s kozmološkim problemima povezanim s ranim fazama evolucije svemira (stvaranje parova u gravitacijskom polju crnih rupa).

Ovaj proces je primjer tijesne isprepletenosti fizike leptona i hadrona. Važnost analize procesa ove vrste posebno je porasla nakon pojave eksperimenata na sudarajućim snopovima elektrona i pozitrona.

(QFT), relativistički kvant. teorija fizike. sustavi s beskonačnim brojem stupnjeva slobode. Primjer takvog sustava je elektromagnetsko polje, za potpuni opis koji u svakom trenutku vremena zahtijeva dodjelu jakosti električnog i magnetskog polja u svakoj točki pr-va, tj. dodjelu beskonačnog broja veličina. Nasuprot tome, položaj čestice u svakom trenutku vremena određen je određivanjem njezine tri koordinate.

Do sada smo razmatrali slobodne neinteragirajuće čestice, čiji je broj ostao nepromijenjen; kao što je lako pokazati uz pomoć relacija (6), operator broja čestica N^(n)=a+na-n komutira s energetskim operatorom?^=S?(p)N^(p), pa broj čestica mora biti konstantan, tj. izostali su procesi pojavljivanja dodatnih čestica, njihovog nestanka i međusobnih pretvorbi. Uzimanje u obzir ovih procesa zahtijeva uključivanje međudjelovanja čestica.

Interakcija u QTP.

U klasičnoj elektrodinamici, interakcija između nabijenih čestica događa se kroz polje: naboj stvara polje koje djeluje na druge naboje. U kvantnoj teoriji, interakcija elektromagnetsko polje a nabijena čestica izgleda kao emisija i apsorpcija dijelova fotona, a međudjelovanje između nabijenih čestica rezultat je njihove izmjene fotona: svaki od elektrona emitira fotone (kvante elektromagnetskog polja koje nosi interakciju), koji su zatim apsorbiraju drugi. Ovaj obrazac interakcije je zbog posebno svojstvo elektrodinamika itd. n. mjerna simetrija. Sličan mehanizam interakcije sve se više potvrđuje i za druge fizičke. polja. Međutim, slobodna čestica ne može niti emitirati niti apsorbirati kvantum. Na primjer, u sustavu u kojem čestica miruje, zračenje kvanta zahtijeva utrošak energije i smanjenje mase čestice (zbog ekvivalencije energije i mase), što je nemoguće. Da bismo riješili ovaj paradoks, moramo uzeti u obzir da čestice -- kvant. objekti za koje je relacija D?Dt? i, posljedično, emisiju ili apsorpciju kvanta polja, pod uvjetom da ti kvanti postoje tijekom vremenskog intervala Dt?ć/D?. (Na temelju takvog razmišljanja i činjenice o kratkodometnom djelovanju nuklearnih sila, japanski fizičar X. Yukawa je predvidio postojanje čestice - nositelja nuklearnog djelovanja mase približno 200--300 masa elektrona, koji je naknadno eksperimentalno otkriven i nazvan p-mezon.) generatori i pojačivači elektromagnetskih valova temeljeni na fenomenu stimuliranog (induciranog) zračenja. Princip rada mikrovalnog kvantnog generatora, nazvanog maser (skraćenica za engleske riječi Mikrovalno pojačanje stimuliranom emisijom zračenja, što znači "mikrovalno pojačanje uslijed stimulirane emisije"), predložio je 1954. C. Towns. (Isti princip je u osnovi optičkih kvantnih pojačala i laserskih generatora.) Budući da je frekvencija zračenja na izlazu kvantnog generatora određena strogo fiksnim, diskretnim razinama energije atoma ili molekula aktivno okruženje koji se koristi u takvom generatoru, ima dobro definiranu i konstantnu vrijednost.

Spontana i prisilna emisija.

energija elektromagnetska radijacija se oslobađa ili apsorbira u obliku zasebnih "porcija", zvanih kvanti ili fotoni, a energija jednog kvanta jednaka je hn, gdje je h Planckova konstanta, a n frekvencija zračenja. Kada atom apsorbira određeni kvant energije, on prelazi na višu energetsku razinu, tj. jedan od njegovih elektrona skoči u orbitu udaljeniju od jezgre. Uobičajeno je reći da atom tada prelazi u pobuđeno stanje. Atom u pobuđenom stanju može odustati od pohranjene energije različiti putevi. Jedan mogući put- spontano emitira kvant s istom frekvencijom, nakon čega se vraća u prvobitno stanje.

Ovo je proces spontana emisija(emisije), shematski prikazano na sl. 3 Uključeno visoke frekvencije, tj. na malim valnim duljinama koje odgovaraju vidljivoj svjetlosti, spontana emisija se događa vrlo brzo.

Pobuđeni atom, nakon što je apsorbirao foton vidljive svjetlosti, obično gubi dobivenu energiju kao rezultat spontane emisije za manje od milijuntinke sekunde.

Proces spontane emisije na nižim frekvencijama je odgođen.

Osim toga, atom može prijeći u neko srednje stanje, gubeći samo dio svoje energije u obliku fotona niže energije koje emitira.

U atomu vodika postoji samo jedan elektron i njegov emisijski spektar je relativno jednostavan. U spektru emisije atoma drugih elemenata broj linija je veći. Čak i prije pojave Bohrovog modela, fizičari su naučili razlikovati blisko razmaknute linije u takvim spektrima koji se razlikuju u izgled. Neki od njih (vrlo uski) nazivaju se "oštri" (od engl. oštar). Najsvjetlije linije nazvane su "glavne" (od engleskog principa). Uočene su šire linije - nazvane su "mutne" (difuzne). Druga vrsta linija naziva se "fundamentalna" (od engleskog fundamentalnog). Prva slova engleski naslovi govorili su o prisutnosti s-, p-, d- i f-linija u spektru emisije. Primijenjeno na Bohrov model, to znači da se u spektrima atoma koji su složeniji od vodika konstantne elektroničke razine mogu sastojati od nekoliko blisko raspoređenih podrazina:

S-podrazina je dobila ime po "oštroj" liniji,

p-podrazina je nazvana po "glavnoj" liniji,

D-podrazina je nazvana po "difuznoj", "mutnoj" (difuznoj) liniji, f-podrazina je nazvana po "fundamentalnoj" liniji.

Složen raspored razina prikazan je na slici 4, koju ovdje ponovno reproduciramo:

Elektronske podrazine atoma su složenije od vodika. Prisutnost podrazina objašnjava podrijetlo "oštrih" (sharp), "glavnih" (principel) i "mutnih" (diffuse) linija u spektru. Više visoke razine nije prikazano na slici.

Korištenjem spektra pokazalo se da prva razina (n = 1) ne sadrži podrazine osim s. Druga razina sastoji se od dvije podrazine (s i p), 3. razina sastoji se od tri podrazine (s, p i d) i tako dalje. Kao što vidimo, podrazine su označene prvim slovima engleskih naziva odgovarajućih linija u spektru. U budućnosti su se više podrazine počele označavati jednostavnim nastavkom latinica: g-podsloj, h-podsloj, itd.

Na slici 5 prikazan je dijagram dijela energetskih prijelaza elektrona u atomu litija, dobiven iz emisijskog spektra vrućih para ovog metala.

Dijagram dijela energetskih razina i podrazina atoma litija. Razina 1s mnogo je niža od razine 2s i ne uklapa se u ljestvicu slike (crtež iz knjige J. Campbella "Modern opća kemija", M.: Mir, 1975, sv. 1, str. 109).

Može se vidjeti da su na slici 5 neke podrazine prikazane kao da se sastoje od nekoliko "polica" iste energije. Na primjer, p-podrazine sastoje se od tri dijela iste energije, d-podrazine - od pet, f-podrazine - od sedam. Gdje se saznalo? Davne 1896. godine njemački fizičar P. Zeeman postavio je uređaj u jako magnetsko polje, sličan vodikovoj svjetiljci, ali ispunjen vrućom natrijevom parom. Utvrđeno je da se broj linija u spektru emisije povećava u magnetskom polju (Zeemanov efekt). Sličan fenomen opaža se i u jakom električnom polju. Sve dok su zahvaćeni samo elektroni unutarnje sile jezgre, neke od njih mogu biti u stanju s istom energijom. Ali kada se pojavi dodatno, vanjsko polje, ta energija više ne može ostati ista. Analiza Zeemanovog spektra mnogo kasnije dovela je teorijskog fizičara Wolfganga Paulija do ideje da na jednu energetsku "policu" ne može stati više od dva elektrona. A da bi izdržali snažne odbojne sile, takvi elektroni moraju imati različite spinove (na ovo svojstvo ćemo se vratiti malo kasnije). Ispada da atom ne može imati dva elektrona u istom stanju. Ovaj zaključak je poznat kao Paulijevo načelo (ili zabrana).

Fizikalni pokusi omogućuju određivanje naseljenosti razina i podrazina elektronima. Za to je potrebno izmjeriti energiju ionizacije atoma, tj. energija uklanjanja elektrona iz njega. Prvo izmjerite energiju potrebnu za uklanjanje prvog elektrona iz atoma, zatim drugog, trećeg i tako dalje. Pokazalo se da u svim atomima postoje elektroni kojima su energije ionizacije bliske. Na primjer, za argon (njegova elektronska ljuska ima 18 elektrona) pronađeno je pet takvih skupina s bliskim energijama ionizacije. Imaju 2, 2, 6, 2 i 6 elektrona. Ali 5 najnižih energetskih razina atoma odgovara podrazinama 1s, 2s, 2p, 3s i 3p (ovo je poznato iz spektra emisije). U ovom slučaju, s-podrazina bi se trebala sastojati od samo jedne orbitale (ima 2 elektrona), p-podrazina - od tri orbitale (postoji 6 elektrona - dva za svaku orbitalu). Može se pokazati da d-podrazina u normalnim uvjetima(bez vanjskog polja) sastoji se od pet orbitala s istom energijom, a f-podrazina sastoji se od sedam.

Bohrov model postupno je usavršavan. Privukao je znanstvenike činjenicom da je uz njegovu pomoć bilo moguće napraviti prilično točne izračune. Na primjer, mogla bi se izračunati energija atoma vodika u osnovnom i pobuđenom stanju, odrediti njegov polumjer, izračunati energija ionizacije i tako dalje. U tu svrhu model je opremljen jasnom i razumljivom mnogim istraživačima matematički aparat, koji su uglavnom razvili sam N. Bohr i njegov sljedbenik A. Sommerfeld. Za izvođenje proračuna bilo je potrebno opisati stanje elektrona u atomu, tj. navesti njegovu točnu "adresu" u elektroničkoj ljusci (točnije, u modelu elektronska ljuska) uz pomoć tzv. kvantnih brojeva. Već znamo da svaki elektron postoji na nekoj razini (1, 2, 3, itd.). Ova razina se označava brojem n, koji se naziva glavnim kvantnim brojem. Jasno je da broj n može imati samo cjelobrojne vrijednosti.

Budući da je razinama već dodijeljen glavni kvantni broj n, za podrazine je uveden pomoćni kvantni broj l. Ako je glavni kvantni broj n "adresa" razine, tada je broj l "adresa" podrazine:

l = 0 je s-podsloj, l = 1 je p-podsloj, l = 2 je d-podsloj, l = 3 je f-podsloj.

glavni . Određuje energiju elektrona u atomu vodika i jednoelektronskim sustavima (He +, Li 2+ itd.). U ovom slučaju, energija elektrona

Orbitalni kvantni broj l karakterizira oblik orbitala i uzima vrijednosti od 0 do n- 1. Osim brojčanih l ima slova

Elektroni iste vrijednosti lčine podrazinu.

Kvantni broj l određuje kvantizaciju orbitalne kutne količine gibanja elektrona u sferno simetričnom Coulombovom polju jezgre.

Kvantni broj m l nazvao magnetski . Određuje prostorni raspored atomske orbitale i uzima cjelobrojne vrijednosti od - l na + l kroz nulu, to jest 2 l+ 1 vrijednosti. Položaj orbite karakterizira vrijednost projekcije vektora orbitalnog kutnog momenta Mz na bilo kojoj koordinatnoj osi (obično osi z):

Sve navedeno može se prikazati u tablici:

Orbitalni kvantni broj Magnetski kvantni broj Broj orbitala sa zadanom vrijednošću l –2, –1, 0, +1, +2 –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3

Tablica 2.1. Broj orbitala u energetskim podrazinama.

Orbitale istog podrazina ( l= const) imaju istu energiju. Takvo stanje se zove degenerirati u energiji. Tako str- orbitalno - tri puta, d- pet puta, i f su sedam puta degenerirani.

Rubne plohe s-, str-, d-, f- orbitale su prikazane na sl. 2.1.

s -Orbitale sferno simetričan za bilo koji n a međusobno se razlikuju samo po veličini kugle. Njihov maksimalno simetričan oblik je zbog činjenice da na l= 0 i μ l = 0.

str -Orbitale postojati na n≥ 2 i l= 1, pa su moguće tri orijentacije u prostoru: m l= -1, 0, +1. Sve p-orbitale imaju nodalnu ravninu koja orbitalu dijeli na dva područja, tako da su granične plohe u obliku bučice, orijentirane u prostoru pod kutom od 90° jedna u odnosu na drugu. Osi simetrije za njih su koordinatne osi, koji su označeni p x, py, pz.

d -Orbitale određen kvantnim brojem l = 2 (n≥ 3), pri čemu m l= –2, –1, 0, +1, +2, odnosno karakterizira ih pet varijanti orijentacije u prostoru. d-Označene su orbitale orijentirane lopaticama duž koordinatnih osi dz² i d x ²– g², i orijentirana lopaticama duž simetrala koordinatni kutovi – dxy, d yz, dxz.

sedam f-orbitale odgovara l = 3 (n≥ 4) prikazane su kao granične površine prikazane na sl. 2.1.

kvantni brojevi n, l i m l ne karakteriziraju u potpunosti stanje elektrona u atomu. Eksperimentalno je utvrđeno da elektron ima još jedno svojstvo - spin. Pojednostavljeno, spin se može prikazati kao rotacija elektrona oko vlastite osi. Spinski kvantni broj m s ima samo dva značenja m s= ±1/2, što su dvije projekcije kutni moment elektrona na odabranoj osi. elektrona s različitim m s označeno strelicama gore i dolje.

U višeelektronskim atomima, kao iu atomu vodika, stanje elektrona određeno je vrijednostima ista četiri kvantna broja, ali u ovom slučaju elektron nije samo u polju jezgre, već iu polju drugih elektrona. Stoga je energija višeelektronskih atoma određena ne samo glavnim, već i orbitalnim kvantnim brojem, odnosno njihovim zbrojem: energija atomskih orbitala raste kako se zbroj povećava n + l; s istom količinom prvo se popunjava razina s manjom n i velika l. Energija atomskih orbitala raste prema nizu

1s s p s p s ≈ 3 d p s ≈ 4 d p s ≈ 4 f ≈ 5d p s ≈ 5 f ≈ 6d str.

Dakle, četiri kvantna broja opisuju stanje elektrona u atomu i karakteriziraju energiju elektrona, njegov spin, oblik elektronskog oblaka i njegovu orijentaciju u prostoru. Kada atom prelazi iz jednog stanja u drugo, elektronski oblak se restrukturira, odnosno mijenjaju se vrijednosti kvantnih brojeva, što je popraćeno apsorpcijom ili emisijom kvanta energije od strane atoma.

Kvantni brojevi su energetski parametri koji određuju stanje elektrona i vrstu atomske orbitale u kojoj se nalazi. Kvantni brojevi su neophodni za opisivanje stanja svakog elektrona u atomu. Samo 4 kvantna broja. Ovo je: glavni kvantni broj -n, l, magnetski kvantni broj -mli spinski kvantni broj - ms.

Glavni kvantni broj jen.

Glavni kvantni broj - n - određuje razinu energije elektrona, udaljenost razine energije od jezgre i veličinu elektronskog oblaka. Glavni kvantni broj ima bilo koju cjelobrojnu vrijednost, počevši odn=1 (n=1,2,3,…) i odgovara broju razdoblja.

Orbitalni kvantni broj -l.

Orbitalni kvantni broj -l- određuje geometrijski oblik atomske orbitale. Orbitalni kvantni broj ima bilo koju cjelobrojnu vrijednost, počevši odl=0 (l=0,1,2,3,… n-jedan). Bez obzira na broj energetske razine, svakoj vrijednosti orbitalnog kvantnog broja odgovara orbitala posebnog oblika. "Skup" takvih orbitala s istim vrijednostima glavnog kvantnog broja naziva se energetskom razinom. Svakoj vrijednosti orbitalnog kvantnog broja odgovara orbitala posebnog oblika. Vrijednost orbitalnog kvantnog brojal=0 odgovaras-orbitalni (tip 1-in). Vrijednost orbitalnog kvantnog brojal=1 utakmicastr-orbitale (3 vrste). Vrijednost orbitalnog kvantnog brojal=2 odgovarad-orbitale (5 vrsta). Vrijednost orbitalnog kvantnog brojal=3 podudaranjef-orbitale (7 vrsta).

f-orbitale imaju još složeniji oblik. Svaka vrsta orbitale je volumen prostora u kojem je vjerojatnost pronalaska elektrona najveća.

Magnetski kvantni broj - ml.

Magnetski kvantni broj - ml - određuje orijentaciju orbitale u prostoru u odnosu na vanjsko magnetsko ili električno polje. Magnetski kvantni broj ima bilo koju cjelobrojnu vrijednost od -l do +l, uključujući 0. To znači da za svaki oblik orbitale postoji 2l + 1 energetski ekvivalentna orijentacija u prostoru - orbitala.

Za s-orbitalu:

l=0, m=0 - jedna ekvivalentna orijentacija u prostoru (jedna orbitala).

Za p-orbitalu:

l=1, m=-1,0,+1 - tri ekvivalentne orijentacije u prostoru (tri orbitale).

Za d-orbitalu:

l=2, m=-2,-1,0,1,2 - pet ekvivalentnih orijentacija u prostoru (pet orbitala).

Za f orbitalu:

l=3, m=-3,-2,-1,0,1,2,3 - sedam ekvivalentnih orijentacija u prostoru (sedam orbitala).

Spinski kvantni broj - ms.

Spinski kvantni broj - ms - određuje magnetski moment koji se javlja kada se elektron okreće oko svoje osi. Spinski kvantni broj može imati samo dvije moguće vrijednosti +1/2 i -1/2. Oni odgovaraju dvama mogućim i suprotnim smjerovima vlastitog magnetskog momenta elektrona – spinova. Za označavanje elektrona s različitim spinovima koriste se sljedeći simboli: 5 i 6 .

Prvi kvantni broj n nazvan glavnim kvantnim brojem, može imati cjelobrojne vrijednosti od 1 do beskonačnosti. U atomu vodika ovaj broj karakterizira energiju elektrona (in atomske jedinice):

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

gdje je Z nuklearni naboj, R=109678,76 cm -1 Rydbergova konstanta.

Drugi kvantni broj l naziva se orbitalni broj. Na određena vrijednost n može uzeti cjelobrojne vrijednosti od 0 do (n-1). Broj l određuje jednu od mogućih vrijednosti orbitalnog kutnog momenta količine elektrona u atomu. Broj l određuje oblik orbitale. Svaka vrijednost l odgovara slovu (spektroskopski zapis):

Pri označavanju stanja elektrona (ili orbitale) ispred simbola orbitalnog kvantnog broja upisuje se glavni kvantni broj u obliku formule: nl. Na primjer:

4s n=4 i l=0, tj. elektronski oblak ima oblik lopte;

2str znači elektron koji ima n=2i l=1 (elektronski oblak ima oblik bučice) itd.

Treći kvantni broj m l karakterizira prostorni raspored orbitala . Zove se magnetski. kvantni broj te određuje vrijednost projekcije orbitalne kutne količine gibanja na odabrani pravac (obično z-os). m l uzima cjelobrojne vrijednosti od − l na + l. Broj različita značenja m l na određenu vrijednost l jednako N=(2 l+1).

s-stanje elektrona odgovara jednoj orbitali

P-stanje elektrona odgovara trima orbitalama

D-stanje elektrona odgovara pet orbitala

F-stanje elektrona odgovara sedam orbitala

Dakle, orbitala je karakterizirana određenim skupom od tri kvantna broja: n, l, m.

Ukupni broj orbitale zadane energetske razine jednaka je N=n2.

Pri proučavanju svojstava elektrona postalo je potrebno uvesti četvrti kvantni broj, koji je nazvan spin kvantni broj m s .

Spin elektrona karakterizira rotaciju elektrona oko vlastite osi. Ova rotacija može biti u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od smjera kazaljke na satu u odnosu na orbitu elektrona. Ovisno o ovome m s može uzeti jednu od dvije vrijednosti:

Spin elektrona karakterizira vlastitu okretni moment elektron. U atomu vodika, moment vrtnje elektrona se dodaje orbitalni moment elektron.

Prema Paulijevom principu isključenja (švicarski fizičar, 1925.):dva elektrona u atomu ne mogu imati isti skup od četiri kvantna broja. To znači da ako 2 elektrona u atomu imaju iste vrijednosti n,l i m l, onda moraju imati različita značenja m s . Njihova leđa trebaju biti usmjerena prema različite strane. Svaka orbitala može držati najviše 2 elektrona suprotnih spinova.

Korolar iz Paulijevog zakona: najveći broj elektrona u razini je dvostruki kvadrat glavnog kvantnog broja

Redoslijed kojim se popunjavaju orbitale danog podsloja podliježe Hundovo pravilo: Ukupni spinski broj elektrona u danom podsloju trebao bi biti maksimalan.

Drugim riječima, orbitale danog podsloja su ispunjene prvo jednim elektronom, zatim drugim elektronom. Elektroni sa suprotnim spinovima na istoj orbitali tvore oblak od dva elektrona i njihov ukupni spin je nula.