อินมาก กลศาสตร์ควอนตัมยังคงอยู่เกินความเข้าใจ ดูน่าอัศจรรย์มาก เช่นเดียวกับเลขควอนตัม ซึ่งธรรมชาติของเลขควอนตัมยังคงลึกลับอยู่ในปัจจุบัน บทความอธิบายแนวคิด ประเภท และ หลักการทั่วไปทำงานร่วมกับพวกเขา

ลักษณะทั่วไป

เลขควอนตัมจำนวนเต็มหรือครึ่งจำนวนเต็มสำหรับปริมาณจริงจะเป็นตัวกำหนดความเป็นไปได้ทั้งหมด ค่าที่ไม่ต่อเนื่องระบบการจำแนกลักษณะของควอนตัม (โมเลกุล อะตอม นิวเคลียส) และอนุภาคมูลฐาน แอปพลิเคชันของพวกเขาเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการมีอยู่ของค่าคงที่ของพลังค์ ความไม่ชัดเจนของกระบวนการที่เกิดขึ้นในพิภพเล็ก ๆ สะท้อนถึงจำนวนควอนตัมและพวกมัน ความหมายทางกายภาพ. พวกเขาถูกนำมาใช้ครั้งแรกเพื่ออธิบายความสม่ำเสมอของสเปกตรัมของอะตอม แต่ความหมายทางกายภาพและความแตกต่างของปริมาณแต่ละปริมาณนั้นถูกเปิดเผยในกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น
ชุดที่กำหนดสถานะของระบบนี้อย่างละเอียดถี่ถ้วนเรียกว่าชุดสมบูรณ์ รัฐทั้งหมดที่รับผิดชอบค่าที่เป็นไปได้จากชุดดังกล่าวก่อให้เกิดระบบที่สมบูรณ์ของรัฐ เลขควอนตัมในวิชาเคมี ด้วยระดับความอิสระของอิเล็กตรอน พวกเขากำหนดมันในพิกัดเชิงพื้นที่สามพิกัดและระดับความอิสระภายใน - สปิน

การกำหนดค่าอิเล็กตรอนในอะตอม

อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอน ซึ่งระหว่างนั้นมีพลังของธรรมชาติไฟฟ้าสถิต พลังงานจะเพิ่มขึ้นเมื่อระยะห่างระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนลดลง เชื่อกันว่ามันจะมีค่าเท่ากับศูนย์หากอยู่ห่างจากนิวเคลียสอย่างไม่สิ้นสุด สถานะนี้ใช้เป็นจุดเริ่มต้น ดังนั้นจึงกำหนดพลังงานสัมพัทธ์ของอิเล็กตรอน

เปลือกอิเล็กตรอนเป็นชุด หนึ่งในนั้น แสดงด้วยเลขควอนตัมหลัก n

เบอร์หลัก

หมายถึงระดับพลังงานหนึ่งที่มีชุดของออร์บิทัลที่มีค่าใกล้เคียงกัน ประกอบด้วย n= 1, 2, 3, 4, 5... เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากขั้นหนึ่งไปยังอีกขั้น อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนไป โปรดทราบว่าไม่ใช่ทั้งหมด ระดับจะเต็มไปด้วยอิเล็กตรอน เมื่อเติมเปลือกของอะตอม หลักการของพลังงานน้อยที่สุดจะเกิดขึ้น สถานะของเขาในกรณีนี้เรียกว่าไม่ตื่นเต้นหรือพื้นฐาน

ตัวเลขวงโคจร

แต่ละระดับมีวงโคจร พวกมันที่มีพลังงานใกล้เคียงกันก่อตัวเป็นระดับย่อย การมอบหมายดังกล่าวทำโดยใช้วงโคจร (หรือตามที่เรียกว่าด้าน) หมายเลขควอนตัม l ซึ่งใช้ค่าของจำนวนเต็มจากศูนย์ถึง n - 1 ดังนั้นอิเล็กตรอนที่มีหมายเลขควอนตัมหลักและวงโคจร n และ l สามารถเท่ากันได้ โดยเริ่มจาก l = 0 และลงท้ายด้วย l = n - 1

สิ่งนี้แสดงให้เห็นธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของระดับย่อยและระดับพลังงานที่สอดคล้องกัน สำหรับ l = 0 และค่า n ใดๆ เมฆอิเล็กตรอนจะมีรูปร่างเป็นทรงกลม รัศมีของมันจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ n ที่ l = 1 เมฆอิเล็กตรอนจะอยู่ในรูปของอนันต์หรือเลขแปด ยังไง มูลค่ามากขึ้น l รูปร่างจะซับซ้อนมากขึ้นและพลังงานอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้น

ตัวเลขแม่เหล็ก

Ml คือการฉายของวงโคจร (ด้านข้าง) ไปยังทิศทางใดทิศทางหนึ่ง สนามแม่เหล็ก. แสดงการวางแนวเชิงพื้นที่ของออร์บิทัลที่มีเลข l เท่ากัน Ml สามารถมีค่าต่างกันได้ 2l + 1 ตั้งแต่ -l ถึง +l
หมายเลขควอนตัมแม่เหล็กอื่นเรียกว่าสปิน - มิลลิวินาทีซึ่งก็คือ ช่วงเวลาของตัวเองหมายเลขการเคลื่อนไหว เพื่อให้เข้าใจสิ่งนี้ เราสามารถจินตนาการถึงการหมุนของอิเล็กตรอนรอบๆ แกนของตัวเอง. Ms สามารถเป็น -1/2, +1/2, 1
โดยทั่วไปสำหรับอิเล็กตรอนใดๆ ค่าสัมบูรณ์สปิน s = 1/2 และ ms หมายถึงเส้นโครงบนแกน

หลักการของ Pauli: อะตอมไม่สามารถมีอิเล็กตรอนสองตัวที่มีเลขควอนตัมสี่ตัวเหมือนกันได้ อย่างน้อยหนึ่งในนั้นต้องยอดเยี่ยม
กฎของการวาดสูตรของอะตอม

1. หลักการของพลังงานขั้นต่ำ ตามนั้นระดับและระดับย่อยที่ใกล้กับแกนกลางจะถูกเติมเต็มก่อนตามกฎของ Klechkovsky
2. ตำแหน่งขององค์ประกอบบ่งชี้ว่าอิเล็กตรอนถูกกระจายไปตามระดับพลังงานและระดับย่อยอย่างไร:

• จำนวนเกิดขึ้นพร้อมกับประจุของอะตอมและจำนวนอิเล็กตรอน
• หมายเลขประจำงวดสอดคล้องกับจำนวนระดับพลังงาน
• หมายเลขกลุ่มจะเหมือนกับปริมาณในอะตอม
• กลุ่มย่อยแสดงการกระจายของพวกเขา

อนุภาคมูลฐานและนิวเคลียส

เลขควอนตัมในฟิสิกส์เป็นลักษณะภายในที่กำหนดปฏิสัมพันธ์และรูปแบบของการแปลง ยกเว้นสปิน s นี้ ค่าไฟฟ้า Q ซึ่งสำหรับอนุภาคมูลฐานทั้งหมดมีค่าเท่ากับศูนย์หรือจำนวนเต็ม ลบหรือบวก ประจุแบริออน B (ศูนย์หรือหนึ่งในอนุภาค, 0 หรือลบ 1 ในปฏิอนุภาค); ประจุเลปตันโดยที่ Le และ Lm มีค่าเท่ากับศูนย์ หนึ่ง และในปฏิปักษ์ - ศูนย์และลบหนึ่ง ไอโซโทปสปินด้วยจำนวนเต็มหรือครึ่งจำนวนเต็ม ความแปลกประหลาด S และอื่น ๆ ตัวเลขควอนตัมทั้งหมดนี้ใช้กับทั้งสองอย่าง อนุภาคมูลฐานเช่นเดียวกับนิวเคลียสของอะตอม
ที่ ความหมายกว้างคำเหล่านี้เรียกว่าปริมาณทางกายภาพที่กำหนดการเคลื่อนที่ของอนุภาคหรือระบบและถูกอนุรักษ์ไว้ อย่างไรก็ตามไม่จำเป็นเลยที่จะต้องอยู่ในสเปกตรัมของค่าที่เป็นไปได้

บทนำ

ทั้งหมดหรือ ตัวเลขเศษส่วนซึ่งกำหนดค่าที่เป็นไปได้ของปริมาณทางกายภาพที่แสดงลักษณะของระบบควอนตัม ( นิวเคลียสของอะตอม, อะตอม, โมเลกุล ฯลฯ), ก.ย. องค์ประกอบ อนุภาค อนุภาคสมมุติฐาน ควาร์ก และกลูออน

K. h. ถูกนำเข้าสู่ฟิสิกส์เป็นครั้งแรกเพื่ออธิบายรูปแบบที่พบเชิงประจักษ์ของ at. อย่างไรก็ตาม สเปกตรัม ความหมายของ K. h. และความไม่ต่อเนื่องที่เกี่ยวข้องของปริมาณทางกายภาพบางอย่างที่แสดงลักษณะพฤติกรรมของอนุภาคขนาดเล็กถูกเปิดเผยเท่านั้น กลศาสตร์ควอนตัม. ตามกลศาสตร์ควอนตัมค่าที่เป็นไปได้ทางกายภาพ ปริมาณจะถูกกำหนดโดยตัวเอง ค่าของตัวดำเนินการที่เกี่ยวข้อง - ต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่อง ใน กรณีสุดท้ายและเลขควอนตัมบางตัวก็เกิดขึ้น (ในความหมายที่แตกต่างกันเล็กน้อย เลขควอนตัมบางครั้งเรียกว่าปริมาณที่คงอยู่ในกระบวนการเคลื่อนที่ แต่ไม่จำเป็นต้องอยู่ในสเปกตรัมที่ไม่ต่อเนื่องของค่าที่เป็นไปได้ เช่น โมเมนตัมหรือพลังงานของ a อนุภาคที่เคลื่อนที่อย่างอิสระ)

แม่เหล็กรังสีควอนตัม

เลขควอนตัม

อิเล็กโทรไดนามิกส์ควอนตัม

เลขควอนตัมคือพารามิเตอร์พลังงานที่กำหนดสถานะของอิเล็กตรอนและประเภท วงโคจรของอะตอมที่มันตั้งอยู่ เลขควอนตัมมีความจำเป็นในการอธิบายสถานะของอิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอม ตัวเลขควอนตัม 4 ตัวเท่านั้น เหล่านี้คือ: หมายเลขควอนตัมหลัก - n, หมายเลขควอนตัมวงโคจร - l, หมายเลขควอนตัมแม่เหล็ก - มล. และหมายเลขควอนตัมสปิน - ms หมายเลขควอนตัมหลักคือ n

หมายเลขควอนตัมหลัก - n - กำหนดระดับพลังงานของอิเล็กตรอน ระยะทาง ระดับพลังงานจากนิวเคลียสและขนาดของเมฆอิเล็กตรอน หมายเลขควอนตัมหลักใช้ค่าจำนวนเต็มใดๆ ที่เริ่มต้นจาก n=1 (n=1,2,3,…) และสอดคล้องกับหมายเลขงวด

หมายเลขควอนตัมวงโคจร - ล. หมายเลขควอนตัมวงโคจร - l - กำหนด รูปทรงเรขาคณิตวงโคจรของอะตอม เลขควอนตัมวงโคจรรับค่าจำนวนเต็มใดๆ โดยเริ่มจาก l=0 (l=0,1,2,3,…n-1) โดยไม่คำนึงถึงจำนวนของระดับพลังงาน แต่ละค่าของเลขควอนตัมวงโคจรจะสอดคล้องกับวงโคจรที่มีรูปร่างพิเศษ "ชุด" ของวงโคจรที่มีค่าเท่ากันของเลขควอนตัมหลักเรียกว่าระดับพลังงาน แต่ละค่าของเลขควอนตัมวงโคจรจะสอดคล้องกับวงโคจรที่มีรูปร่างพิเศษ ค่าของเลขควอนตัมวงโคจร l=0 สอดคล้องกับวงโคจร s (ประเภท 1 นิ้ว) ค่าของเลขควอนตัมออร์บิทัล l=1 สอดคล้องกับ p-ออร์บิทัล (จาก 3 ประเภท) ค่าของเลขควอนตัมออร์บิทัล l=2 สอดคล้องกับ d-ออร์บิทัล (5 ประเภท) ค่าของเลขควอนตัมวงโคจร l=3 สอดคล้องกับ f-วงโคจร (7 ประเภท)

ตารางที่ 1

f-orbitals มีมากขึ้น รูปร่างที่ซับซ้อน. ออร์บิทัลแต่ละประเภทคือปริมาตรของพื้นที่ซึ่งมีความเป็นไปได้สูงสุดที่จะพบอิเล็กตรอน

หมายเลขควอนตัมแม่เหล็ก - มล.

หมายเลขควอนตัมแม่เหล็ก - มล. - กำหนดทิศทางของวงโคจรในอวกาศที่สัมพันธ์กับแม่เหล็กภายนอกหรือ สนามไฟฟ้า. เลขควอนตัมแม่เหล็กใช้ค่าจำนวนเต็มใดๆ จาก -l ถึง +l รวมถึง 0 ซึ่งหมายความว่าสำหรับแต่ละรูปร่างวงโคจร จะมีการวางแนวที่เทียบเท่ากันทางพลังงาน 2l+1 ในปริภูมิวงโคจร

สำหรับ s-orbital:

ล=0, ม=0 - หนึ่งการวางแนวที่เท่ากันในอวกาศ (หนึ่งวงโคจร)

สำหรับ p-orbital:

ล.=1, ม=-1,0,+1 - สามทิศทางที่เท่ากันในอวกาศ (สามวงโคจร)

สำหรับ d-orbital:

ล=2, ม=-2,-1,0,1,2 - ห้าแนวที่เท่ากันในอวกาศ (ห้าวงโคจร)

สำหรับวงโคจร f:

ล.=3, ม.=-3,-2,-1,0,1,2,3 - เจ็ดแนวที่เท่ากันในอวกาศ (เจ็ดวงโคจร)

เลขควอนตัมสปิน - ms

เลขควอนตัมสปิน - มิลลิวินาที - กำหนดโมเมนต์แม่เหล็กที่เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนหมุนรอบแกนของมัน หมายเลขควอนตัมสปินสามารถใช้ค่าที่เป็นไปได้เพียงสองค่าคือ +1/2 และ -1/2 พวกเขาสอดคล้องกับสองทิศทางที่เป็นไปได้และตรงกันข้ามของตัวเอง ช่วงเวลาแม่เหล็กอิเล็กตรอน - สปิน

ควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์

(QED) ทฤษฎีควอนตัมของปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า บ่อยครั้งที่เรียก QED ว่าเป็นส่วนหนึ่งของควอนตัม ทฤษฎีสนามซึ่งพิจารณาปฏิสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กอิเล็กตรอนและสนามอิเล็กตรอน-โพซิตรอน สนามแม่เหล็กอิเล็กตรอนในทฤษฎีดังกล่าวจะปรากฏเป็นสนามมาตรวัด ควอนตัมของสนามนี้คือโฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลนิ่งเป็นศูนย์และสปิน 1 และการทำงานร่วมกันขององค์ประกอบทั้งสองเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนโฟตอนเสมือนระหว่างพวกมัน ค่าคงที่ไร้มิติที่แสดงลักษณะความเข้มของการโต้ตอบคือค่าคงที่ โครงสร้างที่ดี a=e2/ћc»I/137 (ให้แม่นยำยิ่งขึ้น a-1=137.035987(29)) เนื่องจากค่า a มีค่าน้อย วิธีการคำนวณหลักใน QED คือทฤษฎีการก่อกวน ซึ่งเป็นภาพ ภาพกราฟิกซึ่งกำหนดโดยไดอะแกรมไฟน์แมน

ความถูกต้องของ QED ได้รับการยืนยันจากการทดลองจำนวนมากในช่วงระยะทาง (พลังงาน) ที่มีอยู่ทั้งหมด เริ่มตั้งแต่จักรวาล - 1,020 ซม. และจนถึงภายในอนุภาค - 10-16 ซม. QED อธิบายกระบวนการดังกล่าวเป็น รังสีความร้อนร่างกาย, ผลคอมป์ตัน, เบรมส์สตราห์ลุงเป็นต้น อย่างไรก็ตาม กระบวนการทั่วไปส่วนใหญ่สำหรับ QED คือกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับโพลาไรเซชันในสุญญากาศ

ผลกระทบ QED ที่สังเกตได้ครั้งแรกคือ Lamb shift ในระดับ anergy ด้วยความแม่นยำในการบันทึกที่เรียกว่า แม่เหล็กที่ผิดปกติ ช่วงเวลาอีเมล ขนาด ปริมาณโมเมนต์ที่กำหนดปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่เหลือกับ ext ขนาด สนาม. จากควอนตัม ทฤษฎี el-n ของ Dirac ระบุว่า el-n ต้องมีโมเมนต์แม่เหล็กเท่ากับแมกนีตอนของบอร์: mB = ећ/2mc (โดยที่ m คือมวลของ el-on) ใน QED การแก้ไขที่ปรากฏในนิพจน์สำหรับพลังงานของการโต้ตอบดังกล่าวสามารถตีความได้โดยธรรมชาติว่าเป็นผลมาจากการปรากฏของ "สุญญากาศ" เพิ่มเติมในโมเมนต์แม่เหล็ก สารเติมแต่งเหล่านี้ได้รับการศึกษาทางทฤษฎีเป็นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน J. Schwinger เรียกว่าโมเมนต์แม่เหล็กที่ผิดปกติ

ค่าที่คำนวณได้ของช่วงเวลาแม่เหล็ก e-on ม

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

อยู่ในข้อตกลงที่ยอดเยี่ยมกับค่าการทดลอง: mexp=1.00115965241(21)mB

ลักษณะพิเศษของ QED คือการกระเจิงของแสงด้วยแสง ในไฟฟ้าพลศาสตร์แบบดั้งเดิมไม่มีเอฟเฟกต์นี้: คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถือว่าไม่มีปฏิสัมพันธ์ ใน QED เอฟเฟกต์จะเกิดขึ้นได้เนื่องจากการกระทำของสุญญากาศอิเล็กตรอน-โพซิตรอนที่มีความผันผวน

ที่ สถานะเริ่มต้น-- สองโฟตอน ( เส้นหยัก); หนึ่งในนั้นหายไปที่จุด 1 ทำให้เกิดคู่อิเล็กตรอน - โพซิตรอนเสมือน (เส้นทึบ); โฟตอนที่สองที่จุด 2 ถูกดูดซับโดยหนึ่งในอนุภาคของคู่นี้ (ในแผนภาพด้านบนโดยโพซิตรอน) จากนั้นโฟตอนสุดท้ายก็ปรากฏขึ้น: อันหนึ่งเกิดที่จุดที่ 4 โดยอิเล็กตรอนเสมือน อีกอันเกิดขึ้นจากการทำลายล้างของคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอนเสมือนที่จุดที่ 3 ขอบคุณคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอนเสมือน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนปรากฏขึ้น นั่นคือหลักการซ้อนทับ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกละเมิด สิ่งนี้ควรปรากฏให้เห็นในกระบวนการต่างๆ เช่น การกระเจิงของแสงด้วยแสง กระบวนการของการกระเจิงของโฟตอนโดยสนามไฟฟ้าสถิตภายนอกซึ่งมีความน่าจะเป็นค่อนข้างสูงกว่านั้นได้รับการสังเกตจากการทดลอง นิวเคลียสหนักเช่น บนโฟตอนเสมือน (Delbrück scattering) การแก้ไข "สูงกว่า" (การแผ่รังสี) ที่คำนวณโดยวิธีการก่อกวนยังปรากฏในการกระเจิงของอนุภาคที่มีประจุและในปรากฏการณ์อื่นๆ

เอฟเฟกต์ "สุญญากาศ" อีกประเภทหนึ่งที่ทำนายโดยทฤษฎีคือการสร้างอนุภาค - ปฏิอนุภาคในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วงที่แรงมาก (ทั้งสถิตและแปรผัน) โดยเฉพาะอย่างยิ่งประเด็นหลังจะถูกกล่าวถึงโดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับปัญหาเกี่ยวกับจักรวาลวิทยาที่เกี่ยวข้องกับช่วงแรกของวิวัฒนาการของเอกภพ (การผลิตคู่ในสนามโน้มถ่วงของหลุมดำ)

กระบวนการนี้เป็นตัวอย่างของความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดของฟิสิกส์ของเลปตอนและแฮดรอน ความสำคัญของการวิเคราะห์กระบวนการประเภทนี้เพิ่มขึ้นโดยเฉพาะหลังจากการทดลองเกี่ยวกับลำแสงอิเล็กตรอน-โพซิตรอนที่ชนกัน

(QFT), ควอนตัมสัมพัทธภาพ ทฤษฎีฟิสิกส์ ระบบที่มีองศาอิสระไม่จำกัดจำนวน ตัวอย่างของระบบดังกล่าวคือสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นต้น คำอธิบายแบบเต็มซึ่งในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งจำเป็นต้องมีการกำหนดความแรงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่แต่ละจุดของ pr-va นั่นคือการกำหนดจำนวนอนันต์ของปริมาณ ในทางตรงกันข้าม ตำแหน่งของอนุภาคในแต่ละช่วงเวลาจะถูกกำหนดโดยการระบุพิกัดทั้งสาม

จนถึงตอนนี้ เราได้พิจารณาอนุภาคที่ไม่มีปฏิกิริยาอิสระ ซึ่งจำนวนของอนุภาคยังคงไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากง่ายต่อการแสดงโดยใช้ความสัมพันธ์ (6) ตัวดำเนินการหมายเลขอนุภาค N^(n)=a+na-n เคลื่อนที่ด้วยตัวดำเนินการพลังงาน?^=S?(p)N^(p) ดังนั้น จำนวนของอนุภาคจะต้องคงที่ เช่น กระบวนการของการปรากฏตัวของอนุภาคเพิ่มเติม การหายไปและการสลับกันของพวกมันขาดหายไป การบัญชีสำหรับกระบวนการเหล่านี้จำเป็นต้องรวมถึงปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค

การโต้ตอบใน QTP

ในวิชาพลศาสตร์ไฟฟ้าแบบคลาสสิก ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคที่มีประจุจะเกิดขึ้นผ่านสนาม: ประจุจะสร้างสนามที่กระทำกับประจุอื่นๆ ในทฤษฎีควอนตัม ปฏิสัมพันธ์ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและอนุภาคที่มีประจุดูเหมือนการปล่อยและการดูดกลืนของโฟตอนบางส่วน และการทำงานร่วมกันระหว่างอนุภาคที่มีประจุเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนโฟตอน: อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะปล่อยโฟตอนออกมา (ปริมาณของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีอันตรกิริยา) ซึ่งได้แก่ แล้วดูดกลืนโดยผู้อื่น รูปแบบของการโต้ตอบนี้เกิดจาก คุณสมบัติพิเศษอิเล็กโทรไดนามิกส์ ฯลฯ น. มาตรวัดความสมมาตร กลไกการโต้ตอบที่คล้ายคลึงกันได้รับการยืนยันมากขึ้นสำหรับทางกายภาพอื่น ๆ เขตข้อมูล อย่างไรก็ตาม อนุภาคอิสระไม่สามารถปล่อยหรือดูดซับควอนตัมได้ ตัวอย่างเช่น ในระบบที่อนุภาคหยุดนิ่ง การแผ่รังสีของควอนตัมต้องใช้พลังงานและมวลของอนุภาคลดลง (เนื่องจากพลังงานและมวลเท่ากัน) ซึ่งเป็นไปไม่ได้ ในการแก้ไขความขัดแย้งนี้ เราต้องคำนึงถึงว่า อนุภาค -- ควอนตัม. วัตถุที่ความสัมพันธ์ D? Dt? และด้วยเหตุนี้ การปล่อยหรือการดูดกลืนควอนตัมภาคสนาม โดยมีเงื่อนไขว่าควอนตั้มเหล่านี้มีอยู่ในช่วงเวลา Dt?ћ/D? (บนพื้นฐานของเหตุผลดังกล่าวและข้อเท็จจริงของการกระทำระยะสั้นของกองกำลังนิวเคลียร์ X. Yukawa นักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่นทำนายการมีอยู่ของอนุภาค - ผู้ให้บริการของการกระทำนิวเคลียร์ที่มีมวลประมาณ 200--300 มวลอิเล็กตรอน ซึ่งต่อมาถูกค้นพบโดยการทดลองและเรียกว่า p-meson) เครื่องกำเนิดและขยายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามปรากฏการณ์ของรังสีที่ถูกกระตุ้น (เหนี่ยวนำ) หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดควอนตัมไมโครเวฟ เรียกว่า เมเซอร์ (ตัวย่อของ คำภาษาอังกฤษการขยายคลื่นไมโครเวฟโดยกระตุ้นการปล่อยรังสี หมายถึง "การขยายคลื่นไมโครเวฟเนื่องจากการปล่อยรังสีกระตุ้น") ถูกเสนอในปี พ.ศ. 2497 โดย C. Towns (หลักการเดียวกันนี้ใช้กับเครื่องขยายควอนตัมแบบออปติกและเครื่องกำเนิดเลเซอร์) เนื่องจากความถี่ของการแผ่รังสีที่เอาต์พุตของเครื่องกำเนิดควอนตัมถูกกำหนดโดยระดับพลังงานของอะตอมหรือโมเลกุลที่คงที่และไม่ต่อเนื่อง สภาพแวดล้อมที่ใช้งานอยู่ใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้านั้นมีค่าคงที่และชัดเจน

การปล่อยที่เกิดขึ้นเองและถูกบังคับ

พลังงาน รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าถูกปลดปล่อยหรือถูกดูดซับในรูปของ "ส่วน" ที่แยกจากกัน ซึ่งเรียกว่าควอนตัมหรือโฟตอน และพลังงานของควอนตัมหนึ่งมีค่าเท่ากับ hn โดยที่ h คือค่าคงที่ของพลังค์ และ n คือความถี่ของการแผ่รังสี เมื่ออะตอมดูดซับพลังงานควอนตัม มันจะไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น นั่นคือ อิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่งกระโดดไปยังวงโคจรที่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น เป็นเรื่องปกติที่จะบอกว่าอะตอมจะเข้าสู่สถานะตื่นเต้น อะตอมที่อยู่ในสถานะตื่นเต้นสามารถให้พลังงานที่เก็บไว้ได้ วิธีทางที่แตกต่าง. หนึ่ง เส้นทางที่เป็นไปได้- ปล่อยควอนตัมออกมาโดยธรรมชาติด้วยความถี่เดียวกัน หลังจากนั้นมันจะกลับสู่สถานะเดิม

นี่คือกระบวนการ การปล่อยสารที่เกิดขึ้นเอง(การปล่อยมลพิษ) แผนผังแสดงในรูปที่ 3 เปิด ความถี่สูง, เช่น. ที่ความยาวคลื่นขนาดเล็กที่สอดคล้องกับแสงที่ตามองเห็น การแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว

อะตอมที่ถูกกระตุ้นซึ่งดูดซับโฟตอนของแสงที่มองเห็นได้ มักจะสูญเสียพลังงานที่ได้รับอันเป็นผลมาจากการปล่อยแสงที่เกิดขึ้นเองในเวลาน้อยกว่าหนึ่งในล้านของวินาที

กระบวนการปล่อยก๊าซธรรมชาติที่ความถี่ต่ำจะล่าช้า

นอกจากนี้ อะตอมสามารถเข้าสู่สถานะขั้นกลางได้ โดยสูญเสียพลังงานเพียงบางส่วนในรูปของโฟตอนที่พลังงานต่ำกว่าที่ปล่อยออกมา

มีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวในอะตอมของไฮโดรเจนและสเปกตรัมการปลดปล่อยของมันค่อนข้างง่าย ในสเปกตรัมการแผ่รังสีของอะตอมของธาตุอื่น จำนวนเส้นจะมากกว่า ก่อนการกำเนิดของแบบจำลองบอร์ นักฟิสิกส์เรียนรู้ที่จะแยกแยะเส้นที่มีระยะห่างใกล้เคียงกันในสเปกตรัมดังกล่าวซึ่งแตกต่างกันใน รูปร่าง. บางคน (แคบมาก) เรียกว่า "sharp" (จากภาษาอังกฤษ sharp) เส้นที่สว่างที่สุดเรียกว่า "หลัก" (จากหลักการภาษาอังกฤษ) มีการสังเกตเส้นที่กว้างขึ้น - เรียกว่า "เบลอ" (กระจาย) เส้นประเภทอื่นเรียกว่า "พื้นฐาน" (จากภาษาอังกฤษพื้นฐาน) ตัวอักษรตัวแรก ชื่อเรื่องภาษาอังกฤษพวกเขาพูดถึงการมีอยู่ของเส้น s-, p-, d- และ f ในสเปกตรัมการปล่อย เมื่อนำไปใช้กับแบบจำลองบอร์ หมายความว่าในสเปกตรัมของอะตอมที่ซับซ้อนกว่าไฮโดรเจน ระดับอิเล็กทรอนิกส์คงที่สามารถประกอบด้วยระดับย่อยที่มีระยะห่างใกล้เคียงกันหลายระดับ:

s-sublevel ตั้งชื่อตามเส้น "sharp"

p-sublevel ตั้งชื่อตามบรรทัด "หลัก"

ระดับย่อย d ตั้งชื่อตามบรรทัด "กระจาย", "เบลอ" (กระจาย) ระดับย่อย f ตั้งชื่อตามบรรทัด "พื้นฐาน"

การจัดเรียงระดับที่ซับซ้อนแสดงในรูปที่ 4 ซึ่งเราทำซ้ำที่นี่อีกครั้ง:

ระดับย่อยทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมนั้นซับซ้อนกว่าไฮโดรเจน การปรากฏตัวของระดับย่อยอธิบายที่มาของเส้น "sharp" (sharp), "principal" (หลักการ) และ "เบลอ" (diffuse) ในสเปกตรัม มากกว่า ระดับสูงไม่แสดงในรูป

เมื่อใช้สเปกตรัม ปรากฎว่าระดับแรก (n = 1) ไม่มีระดับย่อยใดๆ ยกเว้น s ระดับที่สองประกอบด้วยสองระดับย่อย (s และ p) ระดับที่ 3 ประกอบด้วยสามระดับย่อย (s, p และ d) ไปเรื่อยๆ อย่างที่เราเห็น ระดับย่อยถูกกำหนดโดยตัวอักษรตัวแรกของชื่อภาษาอังกฤษของบรรทัดที่เกี่ยวข้องในสเปกตรัม ในอนาคตระดับย่อยที่สูงขึ้นจะเริ่มแสดงโดยการดำเนินการต่อ ตัวอักษรละติน: g-sublayer, h-sublayer เป็นต้น

รูปที่ 5 แสดงไดอะแกรมของการเปลี่ยนพลังงานส่วนหนึ่งของอิเล็กตรอนในอะตอมลิเธียม ซึ่งได้รับจากสเปกตรัมการปล่อยไอร้อนของโลหะนี้

แผนผังแสดงส่วนของระดับพลังงานและระดับย่อยของอะตอมลิเธียม ระดับ 1 ต่ำกว่าระดับ 2 มากและไม่พอดีกับขนาดภาพ (ภาพวาดจากหนังสือของ J. Campbell "Modern เคมีทั่วไป", M.: Mir, 1975, vol. 1, p. 109)

จะเห็นได้ว่าในรูปที่ 5 ระดับย่อยบางระดับจะแสดงโดยประกอบด้วย "ชั้นวาง" หลายชั้นที่มีพลังงานเท่ากัน ตัวอย่างเช่น p-sublevels ประกอบด้วยสามส่วนของพลังงานเดียวกัน, d-sublevels - จากห้า, f-sublevels - จากเจ็ด มันกลายเป็นที่รู้จักที่ไหน? ย้อนกลับไปในปี 1896 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน P. Zeeman ได้วางอุปกรณ์ไว้ในสนามแม่เหล็กแรงสูง คล้ายกับหลอดไฮโดรเจน แต่เต็มไปด้วยไอโซเดียมร้อน พบว่าจำนวนเส้นในสเปกตรัมการปล่อยเพิ่มขึ้นในสนามแม่เหล็ก (เอฟเฟกต์ Zeeman) ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันนี้ยังพบได้ในสนามไฟฟ้าแรงสูง ตราบใดที่อิเล็กตรอนได้รับผลกระทบเท่านั้น กองกำลังภายในนิวเคลียสบางชนิดสามารถอยู่ในสถานะที่มีพลังงานเท่ากันได้ แต่เมื่อมีสนามภายนอกเพิ่มเติมปรากฏขึ้น พลังงานนี้จะไม่คงอยู่เหมือนเดิมอีกต่อไป การวิเคราะห์สเปกตรัมของ Zeeman ทำให้ Wolfgang Pauli นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีไปสู่แนวคิดที่ว่าอิเล็กตรอนไม่เกินสองตัวสามารถบรรจุใน "ชั้น" พลังงานเดียวได้ และเพื่อที่จะทนต่อแรงผลักที่ทรงพลัง อิเล็กตรอนดังกล่าวจะต้องมีสปินที่แตกต่างกัน (เราจะกลับมาที่คุณสมบัตินี้ในภายหลัง) ปรากฎว่าอะตอมไม่สามารถมีอิเล็กตรอนสองตัวในสถานะเดียวกันได้ ข้อสรุปนี้เรียกว่าหลักการ (หรือข้อห้าม) ของเพาลี

การทดลองทางกายภาพทำให้สามารถระบุจำนวนประชากรของระดับและระดับย่อยด้วยอิเล็กตรอนได้ ในการทำเช่นนี้จำเป็นต้องวัดพลังงานไอออไนเซชันของอะตอม เช่น พลังงานในการดึงอิเล็กตรอนออกจากมัน ขั้นแรก วัดพลังงานที่ต้องใช้เพื่อดึงอิเล็กตรอนตัวแรกออกจากอะตอม จากนั้นจึงค่อยหาอิเล็กตรอนตัวที่ 2, 3 ไปเรื่อยๆ ปรากฎว่าในอะตอมทั้งหมดมีอิเล็กตรอนซึ่งอยู่ใกล้พลังงานไอออไนเซชัน ตัวอย่างเช่น สำหรับอาร์กอน (เปลือกอิเล็กตรอนมีอิเล็กตรอน 18 ตัว) พบกลุ่มดังกล่าว 5 กลุ่มที่มีพลังงานไอออไนเซชันใกล้เคียงกัน มีอิเล็กตรอน 2, 2, 6, 2 และ 6 แต่ระดับพลังงานต่ำสุด 5 ระดับของอะตอมสอดคล้องกับระดับย่อย 1s, 2s, 2p, 3s และ 3p (ซึ่งทราบได้จากสเปกตรัมการปล่อย) ในกรณีนี้ s-sublevel ควรประกอบด้วยหนึ่งออร์บิทัล (มี 2 อิเล็กตรอน), p-sublevel - ของสามออร์บิทัล (มี 6 อิเล็กตรอน - สองตัวสำหรับแต่ละออร์บิทัล) แสดงให้เห็นว่า d-sublevel ใน สภาวะปกติ(ไม่มีสนามภายนอก) ประกอบด้วยวงโคจรห้าวงที่มีพลังงานเท่ากัน และระดับย่อย f ประกอบด้วยวงโคจรเจ็ดวง

แบบจำลองของบอร์ได้รับการขัดเกลาอย่างค่อยเป็นค่อยไป มันดึงดูดนักวิทยาศาสตร์ด้วยความช่วยเหลือ มันเป็นไปได้ที่จะทำการคำนวณที่ค่อนข้างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น เราสามารถคำนวณพลังงานของอะตอมไฮโดรเจนในพื้นดินและสถานะตื่นเต้น กำหนดรัศมีของมัน คำนวณพลังงานไอออไนเซชัน และอื่นๆ เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ แบบจำลองจึงมีความชัดเจนและเข้าใจได้สำหรับนักวิจัยจำนวนมาก เครื่องมือทางคณิตศาสตร์ซึ่งส่วนใหญ่พัฒนาโดย N. Bohr เองและ A. Sommerfeld ผู้ติดตามของเขา ในการคำนวณ จำเป็นต้องอธิบายสถานะของอิเล็กตรอนในอะตอม เช่น ระบุ "ที่อยู่" ที่แน่นอนในเปลือกอิเล็กทรอนิกส์ (แม่นยำยิ่งขึ้นในรุ่น เปลือกอิเล็กตรอน) โดยใช้สิ่งที่เรียกว่าเลขควอนตัม เรารู้แล้วว่าอิเล็กตรอนทุกตัวมีอยู่ในระดับหนึ่ง (1, 2, 3, ฯลฯ ) ระดับนี้แสดงด้วยเลข n ซึ่งเรียกว่าเลขควอนตัมหลัก เป็นที่ชัดเจนว่าตัวเลข n รับได้เฉพาะค่าจำนวนเต็มเท่านั้น

เนื่องจากระดับต่างๆ ถูกกำหนดหมายเลขควอนตัมหลักเป็น n แล้ว จึงมีการนำหมายเลขควอนตัมเสริม l มาใช้กับระดับย่อย ถ้าเลขควอนตัมหลัก n เป็น "ที่อยู่" ของระดับ ดังนั้นเลข l จะเป็น "ที่อยู่" ของระดับย่อย:

l = 0 คือ s-sublayer, l = 1 คือ p-sublayer, l = 2 คือ d-sublayer, l = 3 คือ f-sublayer

หลัก . กำหนดพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมของไฮโดรเจนและระบบหนึ่งอิเล็กตรอน (He +, Li 2+ เป็นต้น) ในกรณีนี้คือพลังงานของอิเล็กตรอน

เลขควอนตัมวงโคจร ล กำหนดลักษณะรูปร่างของวงโคจรและรับค่าจาก 0 ถึง น- 1. นอกจากตัวเลขแล้ว ลมีตัวอักษร

อิเล็กตรอนที่มีค่าเท่ากัน ลสร้างระดับย่อย

เลขควอนตัม ลกำหนดปริมาณของโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรของอิเล็กตรอนในสนามคูลอมบ์ที่สมมาตรเป็นทรงกลมของนิวเคลียส

เลขควอนตัม มล เรียกว่า แม่เหล็ก . มันกำหนดการจัดเรียงเชิงพื้นที่ของวงโคจรของอะตอมและรับค่าจำนวนเต็มจาก - ลถึง + ลผ่านศูนย์ นั่นคือ 2 ล+ 1 ค่า ตำแหน่งของวงโคจรนั้นถูกกำหนดโดยค่าของการฉายภาพของเวกเตอร์ของโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร เมซบนแกนพิกัดใด ๆ (โดยปกติคือแกน ซี):

ทั้งหมดข้างต้นสามารถแสดงในตาราง:

เลขควอนตัมวงโคจร เลขควอนตัมแม่เหล็ก จำนวนวงโคจรที่มีค่าที่กำหนด ล –2, –1, 0, +1, +2 –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3

ตารางที่ 2.1 จำนวนวงโคจรในระดับพลังงานย่อย

วงโคจรในระดับย่อยเดียวกัน ( ล= const) มีพลังงานเท่ากัน สถานะดังกล่าวเรียกว่า เสื่อมลงเป็นพลังงาน. ดังนั้น หน้า-orbital - สามครั้ง ง- ห้าครั้งและ ฉมีความเสื่อมถึงเจ็ดเท่า

พื้นผิวที่มีขอบเขต ส-, หน้า-, ง-, ฉ- วงโคจรแสดงในรูปที่ 2.1.

ส -วงโคจรสมมาตรเป็นทรงกลมสำหรับข้อใดข้อหนึ่ง นและต่างกันที่ขนาดของทรงกลมเท่านั้น รูปร่างสมมาตรสูงสุดของพวกเขาเกิดจากความจริงที่ว่าใน ล= 0 และ μ ล = 0.

หน้า -วงโคจรอยู่ที่ น≥ 2 และ ล= 1 ดังนั้นจึงมีทิศทางที่เป็นไปได้สามแบบในอวกาศ: มล= -1, 0, +1 พีออร์บิทัลทั้งหมดมีระนาบปมที่แบ่งออร์บิทัลออกเป็นสองส่วน ดังนั้นพื้นผิวที่เป็นขอบเขตจึงเป็นรูปดัมเบล วางตัวในอวกาศเป็นมุม 90° สัมพันธ์กัน แกนสมมาตรสำหรับพวกเขาคือ แกนพิกัดซึ่งแสดงว่า พิกเซล, พาย, พีซ.

ง -วงโคจรกำหนดโดยเลขควอนตัม ล = 2 (น≥ 3) ซึ่ง มล= –2, –1, 0, +1, +2 นั่นคือมีลักษณะการวางแนวห้าแบบในอวกาศ ง- วงโคจรที่มีใบมีดตามแกนพิกัดจะแสดง เดซ² และ ดีเอ็กซ์ ²– ย² และวางโดยใบมีดตามเส้นแบ่งครึ่ง พิกัดมุม – ดีซี่, d yz, dxz.

เจ็ด ฉ-วงโคจรที่สอดคล้องกัน ล = 3 (น≥ 4) ถูกแสดงเป็นพื้นผิวขอบเขตที่แสดงไว้ในรูปที่ 2.1.

เลขควอนตัม น, ลและ มลไม่ได้แสดงลักษณะสถานะของอิเล็กตรอนในอะตอมอย่างสมบูรณ์ มีการทดลองแล้วว่าอิเล็กตรอนมีคุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งคือสปิน อย่างง่าย สปินสามารถแสดงเป็นการหมุนของอิเล็กตรอนรอบแกนของมันเอง หมุนเลขควอนตัม นางสาว มีเพียงสองความหมาย นางสาว= ±1/2 ซึ่งเป็นสองเส้นโครง โมเมนตัมเชิงมุมอิเล็กตรอนบนแกนที่เลือก อิเล็กตรอนที่มีความแตกต่างกัน นางสาวระบุด้วยลูกศรขึ้นและลง

ในอะตอมของอิเล็กตรอนหลายตัวเช่นเดียวกับในอะตอมของไฮโดรเจนสถานะของอิเล็กตรอนจะถูกกำหนดโดยค่าของเลขควอนตัมสี่ตัวเดียวกัน แต่ในกรณีนี้อิเล็กตรอนไม่เพียง แต่อยู่ในสนามของนิวเคลียสเท่านั้น แต่ยังอยู่ในสนามด้วย ของอิเล็กตรอนตัวอื่น ดังนั้น พลังงานในอะตอมของอิเล็กตรอนหลายตัวไม่เพียงแต่ถูกกำหนดโดยตัวหลักเท่านั้น แต่ยังพิจารณาจากเลขควอนตัมของออร์บิทัลด้วย หรือโดยผลรวมของพวกมัน: พลังงานของออร์บิทัลของอะตอมจะเพิ่มขึ้นเมื่อผลรวมเพิ่มขึ้น น + ล; ด้วยจำนวนที่เท่ากัน ระดับที่เล็กกว่าจะถูกเติมก่อน นและใหญ่ ล. พลังงานของออร์บิทัลของอะตอมเพิ่มขึ้นตามอนุกรม

1ส s p s p s ≈ 3 ง p s ≈ 4 ง p s ≈ 4 ฉ ≈ 5ง p s ≈ 5 ฉ ≈ 6งหน้า

ดังนั้น ตัวเลขควอนตัมสี่ตัวจึงอธิบายสถานะของอิเล็กตรอนในอะตอมและแสดงลักษณะเฉพาะของพลังงานของอิเล็กตรอน สปิน รูปร่างของเมฆอิเล็กตรอน และการวางตัวในอวกาศ เมื่ออะตอมผ่านจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง เมฆอิเล็กตรอนจะถูกปรับโครงสร้างใหม่ นั่นคือค่าของเลขควอนตัมจะเปลี่ยนไป ซึ่งมาพร้อมกับการดูดซับหรือการปล่อยพลังงานควอนตัมโดยอะตอม

เลขควอนตัมคือพารามิเตอร์พลังงานที่กำหนดสถานะของอิเล็กตรอนและประเภทของออร์บิทัลของอะตอมที่มันอยู่ เลขควอนตัมมีความจำเป็นในการอธิบายสถานะของอิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอม ตัวเลขควอนตัม 4 ตัวเท่านั้น นี่คือ: หมายเลขควอนตัมหลัก -น, ล, หมายเลขควอนตัมแม่เหล็ก -มลและสปินเลขควอนตัม - มส.

หมายเลขควอนตัมหลักคือน.

หมายเลขควอนตัมหลัก - n - กำหนดระดับพลังงานของอิเล็กตรอน ระยะห่างของระดับพลังงานจากนิวเคลียส และขนาดของเมฆอิเล็กตรอน หมายเลขควอนตัมหลักรับค่าจำนวนเต็มใด ๆ เริ่มต้นด้วยน=1 (น=1,2,3,…) และตรงกับเลขงวด

เลขควอนตัมวงโคจร -ล.

เลขควอนตัมวงโคจร -ล- กำหนดรูปทรงเรขาคณิตของวงโคจรของอะตอม เลขควอนตัมวงโคจรรับค่าจำนวนเต็มใดๆ โดยเริ่มจากล=0 (ล=0,1,2,3,… น-หนึ่ง). โดยไม่คำนึงถึงจำนวนของระดับพลังงาน แต่ละค่าของเลขควอนตัมวงโคจรจะสอดคล้องกับวงโคจรที่มีรูปร่างพิเศษ "ชุด" ของวงโคจรที่มีค่าเท่ากันของเลขควอนตัมหลักเรียกว่าระดับพลังงาน แต่ละค่าของเลขควอนตัมวงโคจรจะสอดคล้องกับวงโคจรที่มีรูปร่างพิเศษ ค่าของเลขควอนตัมวงโคจรล=0 แมทช์ส-วงโคจร (ชนิด 1 นิ้ว) ค่าของเลขควอนตัมวงโคจรล= 1 นัดหน้า-วงโคจร (3 ประเภท) ค่าของเลขควอนตัมวงโคจรล= 2 นัดง-วงโคจร (5 ประเภท) ค่าของเลขควอนตัมวงโคจรล= 3 นัดฉ-วงโคจร (7 ประเภท)

f-orbitals มีรูปร่างที่ซับซ้อนมากยิ่งขึ้น ออร์บิทัลแต่ละประเภทคือปริมาตรของพื้นที่ซึ่งมีความเป็นไปได้สูงสุดที่จะพบอิเล็กตรอน

หมายเลขควอนตัมแม่เหล็ก - มล.

หมายเลขควอนตัมแม่เหล็ก - มล. - กำหนดทิศทางของวงโคจรในอวกาศที่สัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้าภายนอก หมายเลขควอนตัมแม่เหล็กใช้ค่าจำนวนเต็มใด ๆ จาก -l ถึง +l รวมถึง 0 ซึ่งหมายความว่าสำหรับแต่ละรูปแบบของวงโคจรจะมีการวางแนวที่เทียบเท่าพลังงาน 2l + 1 ในอวกาศ - วงโคจร

สำหรับ s-orbital:

ล=0, ม=0 - หนึ่งการวางแนวที่เท่ากันในอวกาศ (หนึ่งวงโคจร)

สำหรับ p-orbital:

ล.=1, ม=-1,0,+1 - สามทิศทางที่เท่ากันในอวกาศ (สามวงโคจร)

สำหรับ d-orbital:

ล=2, ม=-2,-1,0,1,2 - ห้าแนวที่เท่ากันในอวกาศ (ห้าวงโคจร)

สำหรับวงโคจร f:

ล.=3, ม.=-3,-2,-1,0,1,2,3 - เจ็ดแนวที่เท่ากันในอวกาศ (เจ็ดวงโคจร)

เลขควอนตัมสปิน - ms

เลขควอนตัมสปิน - มิลลิวินาที - กำหนดโมเมนต์แม่เหล็กที่เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนหมุนรอบแกนของมัน หมายเลขควอนตัมสปินสามารถใช้ค่าที่เป็นไปได้เพียงสองค่าคือ +1/2 และ -1/2 พวกมันสอดคล้องกับสองทิศทางที่เป็นไปได้และตรงกันข้ามกับโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน - สปิน สัญลักษณ์ต่อไปนี้ใช้เพื่อแสดงถึงอิเล็กตรอนที่มีสปินต่างกัน: 5 และ 6 .

หมายเลขควอนตัมแรก น เรียกว่าเลขควอนตัมหลัก มันสามารถรับค่าจำนวนเต็มจาก 1 ถึงอนันต์ ในอะตอมของไฮโดรเจน ตัวเลขนี้แสดงลักษณะพลังงานของอิเล็กตรอน (ใน หน่วยอะตอม):

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

โดยที่ Z คือประจุนิวเคลียร์ R=109678.76 cm -1 คือค่าคงที่ Rydberg

หมายเลขควอนตัมที่สอง ล เรียกว่าเลขโคจร ที่ ค่าบางอย่าง n มันสามารถรับค่าจำนวนเต็มจาก 0 ถึง (n-1) ตัวเลข ล กำหนดค่าที่เป็นไปได้ของโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรของอิเล็กตรอนในอะตอม ตัวเลข ลกำหนดรูปร่างของวงโคจร แต่ละค่า ลตรงกับตัวอักษร (สัญกรณ์สเปกโทรสโกปี):

เมื่อระบุสถานะของอิเล็กตรอน (หรือออร์บิทัล) หมายเลขควอนตัมหลักจะถูกเขียนไว้ข้างหน้าสัญลักษณ์ของหมายเลขควอนตัมออร์บิทัลในรูปแบบของสูตร: nl. ตัวอย่างเช่น:

4ส น=4 และ ล=0 เช่น เมฆอิเล็กตรอนมีรูปร่างเป็นลูกบอล

2หน้าหมายถึงอิเล็กตรอนที่มี น=2และ ล=1 (เมฆอิเล็กตรอนมีรูปร่างคล้ายดัมเบล) เป็นต้น

หมายเลขควอนตัมที่สาม มล ลักษณะการจัดเรียงเชิงพื้นที่ของวงโคจร . เรียกว่าแม่เหล็ก หมายเลขควอนตัมและกำหนดค่าของเส้นโครงของโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรในทิศทางที่เลือก (โดยปกติคือแกน z) มล รับค่าจำนวนเต็มจาก - ลถึง + ล.ตัวเลข ความหมายที่แตกต่างกัน มลด้วยมูลค่าที่แน่นอน ลเท่ากับ N=(2 ล+1).

สถานะ s ของอิเล็กตรอนสอดคล้องกับหนึ่งออร์บิทัล

สถานะ p ของอิเล็กตรอนสอดคล้องกับออร์บิทัลสามวง

สถานะ d ของอิเล็กตรอนสอดคล้องกับวงโคจรห้าวง

สถานะ f ของอิเล็กตรอนสอดคล้องกับวงโคจรเจ็ดวง

ดังนั้น ออร์บิทัลจึงมีลักษณะเฉพาะด้วยเลขควอนตัมสามชุด: n, l, m

จำนวนทั้งหมดวงโคจรของระดับพลังงานที่กำหนดเท่ากับ ยังไม่มีข้อความ=n2.

เมื่อศึกษาคุณสมบัติของอิเล็กตรอนจำเป็นต้องแนะนำหมายเลขควอนตัมที่สี่ซึ่งเรียกว่าเลขควอนตัมสปิน นางสาว .

การหมุนของอิเล็กตรอนเป็นลักษณะของการหมุนของอิเล็กตรอนรอบแกนของมันเอง การหมุนนี้สามารถหมุนตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกาโดยสัมพันธ์กับวงโคจรของอิเล็กตรอน ขึ้นอยู่กับสิ่งนี้ นางสาว สามารถรับหนึ่งในสองค่า:

การหมุนของอิเล็กตรอนเป็นลักษณะของมันเอง แรงบิดอิเล็กตรอน. ในอะตอมของไฮโดรเจน แรงบิดในการหมุนของอิเล็กตรอนจะถูกเพิ่มเข้าไป ช่วงเวลาการโคจรอิเล็กตรอน.

ตามหลักการกีดกันของ Pauli (นักฟิสิกส์ชาวสวิส 1925):ไม่มีอิเล็กตรอนสองตัวในอะตอมใดที่จะมีเลขควอนตัมสี่ชุดเหมือนกันได้หมายความว่า ถ้าอิเล็กตรอน 2 ตัวในอะตอมมีค่าเท่ากัน n, ลและ มลแล้วพวกเขาต้องมี ความหมายที่แตกต่างกัน นางสาว .หลังของพวกเขาควรหันไปทาง ด้านที่แตกต่างกัน. แต่ละออร์บิทัลสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุด 2 ตัวโดยมีสปินตรงข้ามกัน

ข้อโต้แย้งจากกฎของ Pauli: จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในระดับหนึ่งเป็นสองเท่าของเลขควอนตัมหลัก

ลำดับการเติมวงโคจรของชั้นย่อยที่กำหนดนั้นขึ้นอยู่กับ กฎของ Hund:จำนวนการหมุนของอิเล็กตรอนทั้งหมดในชั้นย่อยที่กำหนดควรมีค่าสูงสุด

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ออร์บิทัลของชั้นย่อยที่กำหนดจะถูกเติมด้วยอิเล็กตรอนหนึ่งตัวก่อน จากนั้นจึงเติมด้วยอิเล็กตรอนตัวที่สอง อิเล็กตรอนที่มีสปินตรงข้ามในวงโคจรเดียวกันก่อตัวเป็นเมฆสองอิเล็กตรอนและสปินทั้งหมดเป็นศูนย์