Квантовые числа и их физический смысл

Волновая функция, являющаяся решением уравнения Шредингера, называется орбиталью . Для решения этого уравнения вводятся три квантовых числа (n , l и m l )

Главное квантовое число n. оно определяет энергию электрона и размеры электронных облаков. Энергия электрона главным образом зависит от расстояния электрона от ядра: чем ближе к ядру находится электрон, тем меньше его энергия. Поэтому можно сказать, что главное квантовое число n определя-

ет расположение электрона на том или ином энергетическом уровне. Главное квантовое число имеет значения ряда целых чисел от 1 до ∞ . При значении главного квантового числа, равного 1 (n = 1 ), электрон находится на первом энергетическом уровне, расположенном на минимально возможном расстоянии от ядра. Общая энергия такого электрона наименьшая.

Электрон, находящийся на наиболее удаленном от ядра энергетическом уровне, обладает максимальной энергий. Поэтому при переходе электрона с более удаленного энергетического уровня на более близкий выделяется энергия. Энергетические уровни обозначают прописными буквами согласно схеме:

Значение n …. 1 2 3 4 5

Обозначение K L M N Q

Орбитальное квантовое число l . Согласно квантово-механическим расчетам электронные облака отличаются не только размерами, но и формой. Форму электронного облака характеризует орбитальное или побочное квантовое число. Различная форма электронных облаков обусловливает изменение энергии электрона в пределах одного энергетического уровня, т.е. ее расщепления на энергетические подуровни. Каждой форме электронного облака соответствует определенное значение механического момента движения электрона  , определяемого орбитальным квантовым числом:

Определенной форме электронного облака соответствует вполне определенное значение орбитального момента количества движения электрона  . Так как  может принимать только дискретные значения, задаваемые квантовым числом l , то и формы электронных облаков не могут быть произвольными: каждому возможному значению l соответствует вполне определенная форма электронного облака.

Рис. 5. Графическая интерпретация момента движения электрона, гдеμ - орбитальный момент количества

движения электрона

Орбитальное квантовое число может иметь значения от 0 до n - 1 , всего n – значений.

Энергетические подуровни обозначены буквами:

Значение l 0 1 2 3 4

Обозначение s p d f g

Магнитное квантовое число m l . Из решения уравнения Шредингера следует, что электронные облака ориентированы определенным образом в пространстве. Пространственная ориентация электронных облаков характеризуется магнитным квантовым числом.

Магнитное квантовое число может принимать любые целочисленные значения как положительные, так и отрицательные в пределах от –l до +l , а всего это число может принимать (2l+1) значений для данного l , включая нулевое. Например, если l = 1 , то возможны три значения m (–1,0,+1) орбитальный момент  , есть вектор, величина которого квантована и определяется значением l . Из уравнения Шредингера следует, что не только величина µ , но и направление этого вектора, характеризующее пространственную ориентацию электронного облака, квантовано. Каждому направлению вектора заданной

длины соответствует определенное значение его проекции на ось z , характеризующее некоторое направление внешнего магнитного поля. Значение этой проекции характеризует m l .

Спин электрона. Изучение атомных спектров показало, что три квантовых числа n , l и m l не являются полной характеристикой поведения электронов в атомах. С развитием спектральных методов исследований и повышением разрешающей способности спектральных приборов была обнаружена тонкая структура спектров. Оказалось, что линии спектров расщепляются. Для объяснения этого явления было введено четвертое квантовое число, связанное с поведением самого электрона. Это квантовое число было названо спином с обозначением m s и принимающее всего два значения +½ и –½ в зависимости от одной из двух возможных ориентаций спина электрона в магнитном поле. Положительное и отрицательное значения спина связаны с его направлением. Поскольку спин величина векторная, то его условно обозначают стрелкой, направленной вверх или или вниз ↓ .Электроны, имеющие одинаковое направление спина называются параллельными, при противоположных значениях спинов – антипараллельныи.

Наличие спина у электрона было доказано экспериментально в 1921 г., В. Герлахом и О. Штерном, которые сумели разделить пучок атомов водорода на две части, соответствующие ориентации электронного спина. Схема их эксперимента показана на рис. 6. Когда атомы водорода пролетают через область сильного магнитного поля, электрон каждого атома взаимодействует с магнитным полем, и это заставляет атом отклоняться от исходной прямолинейной траектории, Направление, в котором отклоняется атом, зависит от ориентации спина его электрона. Спин у электрона не зависит от внешних условий и не может быть уничтожен или изменен.

Таким образом, было окончательно установлено, что полностью состояние электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами n , l , m l . и m s ,

Рис. 6. Схема эксперимента Штерна - Герлаха

Квантово-механическое описание электрона в атоме

Теория Бора позволила точно вычислить частоты в спектрах атома водорода и других одноэлектронных систем, т. е. таких ионов, как гелий, литий, берилий.

Однако при переходе к более сложным электронным системам - многоэлектронным - теория Бора оказалась недостаточной.

Поэтому возникла необходимость создания более общей теории, которая получила название квантовой механики. Такая теория, описывала поведение объектов микромира (например, электрона).

В1923-1927 гг были сформулированы основные положения квантовой механики.

Квантово-механическая теория содержит два основных положения.

1. Электрон имеет двойственную природу. Он обладает свойствами и частицы, и волны одновременно. Как частица электрон имеет массу и заряд, однако движение электронов - это волновой процесс. Электронам свойственно явле­ние дифракции (поток электронов огибает препятствие).

2. Положение электрона в атоме неопределенно. Это озна­чает, что невозможно одновременно точно определить и скорость электрона, и его координаты в пространстве.

Электрон, который движется с очень большой скоростью, может находиться в любой части пространства вокруг ядра, и различные моментальные его положения образуют так называе­мое электронное облако с неравномерной плотностью отрица­тельного заряда (рисунок). Форма и размеры электронного облака могут быть разными в зависимости от энергии электрона.

Для химической характеристики элемента, которая определяется состоянием электронов в электронной оболочке его атома, а также для объяснения связей, которые атом данного элемента может образовывать с другими атомами, необходимо знать:

- энергию электрона в атоме (точнее, энергию системы, со­стоящей из этого электрона, других электронов и ядра;

- форму образуемого данным электроном электронного облака.

Состояние электрона в атоме характеризуется набором четырех квантовых чисел.

По энергии электроны в атоме распределяются по энергети­ческим уровням и подуровням.

4.2.1. Главное квантовое число (п) характеризует энергетический уровень и определяет размер электронного облака, т. е. среднее расстояние электрона от ядра; принимает целочисленные значения 1, 2, 3, ..., п, которые соответствуют номеру энергетического уров­ня. Чем больше п, тем выше энергия электрона, следовательно, минимальная энергия соответствует первому уровню (п = 1).

4.2.2 Орбитальное или побочное квантовое число (l) характери­зует энергетический подуровень и определяет форму электронно­го облака; принимает целочисленные значения от 0 до (п - 1). Его значения обычно обозначаются буквами:

l = 0 1 2 3

Число возможных значений l соответствует числу возможных подуровней на данном уровне, равному номеру уровня (п).

При п = 1 l = 0 (1 значение)

п = 2 l = 0, 1 (2 значения)

п = 3 l = 0, 1, 2 (3 значения)

п = 4 l = 0, 1, 2, 3 (4 значения)

Энергия электронов на разных подуровнях одного уровня изменяется в зависимости от l следующим образом: каждому значению l соответствует определенная форма электронного об­лака: s - сфера, р - объемная восьмерка, d f - объемная че­тырех лепестковая розетка или более сложная форма (рис).

Таблица 1.1 – Форма электронных облаков

Многое в квантовой механике остается за гранью понимания, многое кажется фантастичным. То же относится и к квантовым числам, природа которых загадочна и сегодня. В статье рассказывается о понятии, видах и общих принципах работы с ними.

Общая характеристика

Целые или полуцелые квантовые числа у физических величин определяют всевозможные дискретные значения, характеризующие системы квантов (молекулу, атом, ядро) и элементарные частицы. Их применение тесным образом связано с существованием постоянной Планка. Дискретность, протекающих в микромире процессов, отражают квантовые числа и их физический смысл. Впервые их ввели для того, чтобы описать закономерности спектров атома. Но физический смысл и дискретность отдельных величин были раскрыты только в квантовой механике.
Набор, который определяет исчерпывающе состояние этой системы, получил название полного. Все состояния, отвечающие за возможные значения из такого набора, образуют полную систему состояний. Квантовые числа в химии со степенями свободы электрона определяют его в трех пространственных координатах и внутренней степенью свободы — спином.

Конфигурации электронов а атомах

В атоме располагаются ядро и электроны, между которыми действуют силы электростатической природы. Энергия будет увеличиваться по мере того, как уменьшается расстояние между ядром и электроном. Считается, что будет равна нулю в случае, если он удален от ядра бесконечно. Такое состояние используется как начало отсчета. Таким образом определяется относительная энергия электрона.

Электронная оболочка, является набором Принадлежность к одному из них выражается главным квантовым числом n.

Главное число

Оно относится к определенному уровню энергии с набором орбиталей, у которых схожие значения, состоящие из n= 1, 2, 3, 4, 5… Когда электрон переходит с одной на другую ступень, изменяется Следует учитывать, что не все уровни наполнены электронами. При заполнении оболочки атома, реализуется принцип наименьшей энергии. Его состояние в этом случае называют невозбужденным или основным.

Орбитальные числа

В каждом уровне имеются орбитали. Те из них, у которых сходная энергия, образуют подуровень. Такое отнесение производится с помощью орбитального (или как его еще называют - побочного) квантового числа l, которое принимает значения целых чисел от нуля и до n - 1. Так электрон, имеющий главное и орбитальное квантовые числа n и l, может равняться, начиная l = 0 и заканчивая l = n - 1.

Это показывает характер движения соответствующих подуровня и уровня энергии. При l = 0 и любом значении n, электронное облако будет иметь форму сферы. Ее радиус будет прямо пропорционален n. При l = 1 электронное облако примет форму бесконечности или восьмерки. Чем больше значение l, тем форма будет становиться сложнее, а энергия электрона — возрастать.

Магнитные числа

Ml является проекцией орбитального (побочного) на то или иное направление магнитного поля. Оно показывает пространственную ориентацию тех орбиталей, у которых число l одинаковое. Ml может иметь различные значения 2l + 1, от -l до +l.
Другое магнитное квантовое число называется спином — ms, который является собственным моментом числа движения. Чтобы понять это, можно вообразить вращение электрона как бы вокруг собственной оси. Ms может равняться -1/2, +1/2, 1.
Вообще для любого электрона абсолютное значение спина s = 1/2, а ms означает его проекцию на ось.

1. Принцип минимальной энергии. По нему сначала заполняются уровни и подуровни, которые расположены ближе к ядру, по правилам Клечковского.
2. Положение элемента указывает на то, как распределены электроны по энергетическим уровням и подуровням:

• номер совпадает с зарядом атома и количеством его электронов;
• периодический номер соответствует числу уровней энергии;
• групповой номер совпадает с количеством в атоме;
• подгруппа показывает их распределение.

Элементарные частицы и ядра

Квантовые числа в физике являются их внутренними характеристиками, которые определяют взаимодействия и закономерности превращений. Кроме спина s, это электрический заряд Q, который у всех элементарных частиц равен нулю или целому числу, отрицательному или положительному; барионный заряд В (в частице — ноль или единица, в античастице — ноль или минус один); лептонные заряды, где Le и Lm равны нулю, единице, а в античастице — нулю и минус единице; изотопический спин с целым или полуцелым числом; странность S и другие. Все эти квантовые числа применяются как к элементарным частицам, так и к атомным ядрам.
В широком смысле слова их называют физическими величинами, которые определяют движение частицы или системы и которые сохраняются. Однако совсем необязательно, что они принадлежат дискретному спектру всевозможных значений.

Квантовые числа электронов

Главное квантовое число n определяет общую энергию электрона на данной орбитали. Оно может принимать любые целые значения, начиная с единицы (n = 1,2,3, …). Под главным квантовым числом, равным ∞, подразумевают, что электрону сообщена энергия, достаточная для его полного отделения от ядра (ионизация атома).

Кроме того, оказывается, что в пределах определенных уровней энергии электроны могут отличаться своими энергетическими подуровнями. Существование различий в энергетическом состоянии электронов, принадлежащих к различным подуровням данного энергетического уровня, отражается побочным (иногда его называют орбитальным) квантовым числом l . Это квантовое число может принимать целочисленные значения от 0 до n — 1 (l = 0,1, …, n — 1). Обычно численные значения l принято обозначать следующими буквенными символами:

Значение l 0 1 2 3 4
Буквенное обозначение s p d f g

В этом случае говорят о s -, р-, d -, f -, g -состояниях электронов, или о s -, р-, d -, f -, g -орбиталях.

Орбиталь - совокупность положений электрона в атоме, т.е. область пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона.

Побочное (орбитальное) квантовое число l характеризует различное энергетическое состояние электронов на данном уровне, определяет форму электронного облака, а также орбитальный момент р - момент импульса электрона при его вращении вокруг ядра (отсюда и второе название этого квантового числа - орбитальное)

Таким образом, электрон, обладая свойствами частицы и волны, с наибольшей вероятностью движется вокруг ядра, образуя электронное облако, форма которого в s -, р-, d -, f -, g -состояниях различна.

Подчеркнем, что форма электронного облака зависит от значения побочного квантового числа l . Так, если l = 0 (s -орбиталь), то электронное облако имеет шаровидную форму (сферическую симметрию) и не обладает направленностью в пространстве

При l = 1 (р-орбиталь) электронное облако имеет форму гантели, т.е. форму тела вращения, полученного из «восьмерки» . Формы электронных облаков d -, f — и g -электронов на­много сложнее.

Движение электрона по замкнутой орбите вызывает появление магнитного поля. Состояние электрона, обусловленное орбитальным магнитным моментом электрона (в результате его движения по орбите), характеризуется третьим квантовым числом - магнитным m 1 . Это квантовое число характеризует ориентацию орбитали в пространстве, выражая проекцию орбитального момента импульса на направление магнитного поля.

Соответственно ориентации орбитали относительно направления вектора напряженности внешнего магнитного поля, магнитное квантовое число m 1 может принимать значения любых целых чисел, как положительных, так и отрицательных, от –l до +l , включая 0, т.е. всего (2l + 1) значений.

Таким образом, m 1 характеризует величину проекции вектора орбитального момента количества движения на выделенное направление. Например, р-орбиталь («гантель») в магнитном поле может ориентироваться в пространстве в трех различных положениях, так как в случае l = 1 магнитное квантовое число может иметь три значения: -1, 0, +1. Поэтому электронные облака вытянуты по осям х, y и z , причем ось каждого из них перпендикулярна двум другим.

Для объяснения всех свойств атома в 1925 г. была выдвинута гипотеза о наличии у электрона так называемого спина (сначала - для наглядности - считалось, что это явление аналогично вращению Земли вокруг своей оси при движении ее по орбите вокруг Солнца). На самом деле, спин - это чисто квантовое свойство электрона, не имеющее классических аналогов. Строго говоря, спин - это собственный момент импульса электрона, не связанный с движением в пространстве. Для всех электронов абсолютное значение спина всегда равно s = 1/2. Проекция спина на ось = (магнитное спиновое число m s ) может иметь лишь два значения: m s = 1/2 или m s = -1/2 .

Поскольку спин электрона s является величиной постоянной, его обычно не включают в набор квантовых чисел, характеризующих движение электрона в атоме, и говорят о четырех квантовых числах.