Квантовые числа и их характеристики

Квантовые числа являются энергетическими характеристиками электрона в атоме.

Главное квантовое число я характеризует запас энергии на уровне. Оно может принимать значения целых чисел от 1 до со (практически в химии от 1 до 7) и соответствовать номеру периода, в котором находится элемент. Энергетические уровни обозначаются цифрами или буквами (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Обозначения энергетических уровней

Побочное или орбитальное квантовое число I характеризует запас энергии на подуровне. Подуровни возникают из-за разной формы орбиты (почему побочное квантовое число и называется орбитальным).

Если рассматривать движущийся по орбите электрон как частицу, то при его движении (в зависимости от формы орбиты) возникает разный орбитальный момент (* (рис. 3.2). Его рассчитывают по формуле.

Здесь h-—, редуцированная постоянная Планка, или постоян- 2 п

ная Дирака. Она принята для упрощения формул квантовой механики, многие из которых содержат традиционную постоянную Планка, деленную на 2л.

Орбитальный момент выражается осевым вектором, направленным перпендикулярно к плоской орбите, численно равным ее площади и исходящим от центра вверх. I — проекция вектора орбитального момента ?* на плоскость орбиты, может принимать значения от 0 до (п — 1).

Рис. 3.2. Орбитальный момент.

Каждому значению ? при одном и том же п соответствует определенный подуровень (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Обозначения подуровней

Число подуровней (п/у) равно номеру уровня (табл. 3.3).

Таблица 3.3

Число подуровней

5-Облака имеют форму шара, /7-облака — форму гантели (восьмерки), rf-облака — четырехлепестковая структура, а / — шестилепестковая (все ориентации которой редко изображают). На рис. 3.3 представлены формы 5-, р-, dи /-орбиталей различной ориентации.

Рис. 33. Формы и пространственная ориентация 15-, 2/7-, 3dи 4/-орбиталей.

Магнитное квантовое число т. Движение электрона, но орбите как движение отрицательного заряда можно условно рассматривать как движение электричества по замкнутому контуру. При этом возникает магнитное поле с собственным магнитным моментом т*_у которое можно обнаружить только при взаимодействии с внешним магнитным полем Магнитное квантовое число — проекция вектора магнитного момента (или момента количества движения ?*) на произвольно выбранное направление внешнего магнитного поля (Н). Оно может принимать значения от -I до +?, через ноль. Квантовое число т характеризует ориентацию орбитали в пространстве, и число значений т показывает число способов ориентации, которое рассчитывается по формуле т = 2t + 1. Энергетическое состояние орбитали схематически обозначают ячейками в виде прямоугольников? (табл. 3.4).

Рис. 3.4. Движение электрона и магнитное квантовое число

Таблица 3.4

Обозначения энергетических состояний орбиталей

Спиновое квантовое число s характеризует дополнительную энергетическую характеристику электрона и удваивает каждое значение ш, принимая значения ±½.

Четвертое квантовое число было введено позже на основании экспериментов физиков, изучавших расщепление линий в спектре, полученном после воздействия на электрон в атоме электрического или магнитного поля (эффект Штарка и Зеемана). Этот эффект был подтвержден опытами Штерна и Герлаха.

Для наглядности принято объяснять дополнительную энергетическую характеристику наличием у электрона собственного спинового момента движения.

Предполагается, что электрон, двигаясь, но орбитали, может вращаться вокруг собственной оси в различных направлениях, например, один — по часовой стрелке, а другой — против. Электроны с положительным или отрицательным спиновым числом обозначают стрелками, помещенными в ячейку.

Два электрона с одинаковыми значениями квантовых чисел п, I, т, но с противоположными направленными спинами называют.

спаренными |?1|. Неспаренный электрон отображается в ячейке одной стрелкой | Т |.