Квантовые числа

Орбитальное строение электронных слоев

8. Квантово-механические расчеты показали, что внутри каждого электронного слоя разные энергетические подуровни обладают различной энергией. При этом, разница в энергиях разных подуровней одного слоя существенно меньше, чем разница в энергиях электронов, находящихся в разных электронных слоях:

E_1s << E_2s < (E_2px = E_2py = E_2pz) << E_3s и т.д., где Е – энергия; цифра в обозначении орбитали показывает номер электронного слоя (соответственно, размер орбитали), x,y,z – направление декартовых координат, вдоль которых располагаются p-орбитали.

Квантовые числа

Квантовыми числами называются корни квантово-механических уравнений, описывающих движение электрона в атоме для состояний с минимальной энергией. Следствие этих расчетов: вся совокупность сложных движений электрона в атоме описывается пятью квантовыми числами.

Главное квантовое число (n) принимает целые значения, начиная с единицы (n=1,2,3,4…). Физический смысл – показывает № электронного слоя, в котором находится электрон. Чем ближе электрон к ядру, тем больше притяжение между ним и ядром, и меньше его энергия. Поэтому главное квантовое число определяет общую энергию электрона, а электронный слой еще называют энергетическим уровнем.

Побочное (орбитальное) квантовое число (ℓ) отражает энергетическое различие электронов одного энергетического уровня, находящихся на разных подуровнях. Побочное квантовое число зависит от главного и может принимать следующие значения: 0,1,2,3,…,n-1 (то есть, n различных значений). Физический смысл этого числа заключается в том, что оно показывает форму атомной орбитали. Между ℓ и буквенными обозначениями формы орбитали существует следующее соответствие:

0 1 2 3

s p d f

Магнитное орбитальное квантовое число (m_ℓ), в свою очередь, зависит от числа ℓ и принимает значения -ℓ,…,0,…,+ℓ, итого (2ℓ + 1) значений. Оно показывает количество орбиталей, составляющих энергетический подуровень с данным ℓ. В таблице 1 вы можете заметить, что для ℓ = 0 (для s-орбитали) существует только одна орбиталь в подуровне. Для p-орбитали (ℓ = 1) должно существовать три разных значения m_ℓ. И действительно, p-подуровень состоит из трех орбиталей, отличающихся направлением в пространстве. Орбитали одного подуровня имеют одинаковую энергию. Их называют вырожденными. Вырождение снимается, если к атому приложить магнитное поле. Поэтому данное квантовое число и называется магнитным.

Спиновое квантовое число (s) имеет одинаковое значение для всех электронов (s = ½). Поэтому его иногда не учитывают при описании состояния электрона при помощи квантовых чисел. Спин – это свойство электрона совершать движения, не имеющие классических аналогов. Упрощенно его представляют как вращение вокруг собственной оси.

Магнитное спиновое число (m_s) показывает проекцию спина на направление движения электрона и может принимать два значения: +1/2 и -1/2.