Quantenzahlen sind Werte, die die Energie oder den energetischen Zustand des Elektrons eines Atoms beschreiben. Die Zahlen geben den Spin, die Energie, das magnetische Moment und das Drehmoment eines Elektrons an. Laut Purdue University stammen die Quantenzahlen aus dem Bohr-Modell, der Schrödinger-Wellengleichung Hw = Ew, den Hund-Regeln und der Hund-Mulliken-Orbitaltheorie. Um die Quantenzahlen zu verstehen, die die Elektronen in einem Atom beschreiben, ist es hilfreich, mit den verwandten Begriffen und Prinzipien der Physik und Chemie vertraut zu sein.
Hauptquantenzahl
Elektronen drehen sich in Atomhüllen, die Orbitale genannt werden. Gekennzeichnet durch „n“ bezeichnet die Hauptquantenzahl den Abstand vom Atomkern zu einem Elektron, die Größe des Orbital und dem azimutalen Drehimpuls, der die zweite Quantenzahl ist, die durch "ℓ" dargestellt wird. Die Hauptquantenzahl auch beschreibt die Energie eines Orbitals, da Elektronen sich in einem konstanten Bewegungszustand befinden, entgegengesetzt geladen sind und von der angezogen werden Kern. Orbitale mit n=1 liegen näher am Atomkern als solche mit n=2 oder einer höheren Zahl. Bei n=1 befindet sich ein Elektron im Grundzustand. Bei n=2 befinden sich die Orbitale in einem angeregten Zustand.
Winkelquantenzahl
Die Winkel- oder Azimut-Quantenzahl wird durch „ℓ“ repräsentiert und identifiziert die Form eines Orbitals. Es sagt Ihnen auch, in welcher suborbitalen oder atomaren Schalenschicht Sie ein Elektron finden können. Die Purdue University sagt, dass Orbitale sphärische Formen mit ℓ=0, polare Formen mit ℓ=1 und Kleeblattformen mit ℓ=2 haben können. Eine Kleeblattform mit einem zusätzlichen Blütenblatt ist definiert durch ℓ=3. Orbitale können komplexere Formen mit zusätzlichen Blütenblättern haben. Winkelquantenzahlen können jede ganze Zahl zwischen 0 und n-1 haben, um die Form eines Orbitals zu beschreiben. Wenn es Suborbitale oder Unterschalen gibt, steht ein Buchstabe für jeden Typ: „s“ für ℓ=0, „p“ für ℓ=1, „d“ für ℓ=2 und „f“ für ℓ=3. Orbitale können mehr Unterschalen haben, die zu einer größeren Winkelquantenzahl führen. Je höher der Wert der Unterschale ist, desto energiereicher ist sie. Wenn ℓ=1 und n=2 ist, ist die Unterschale 2p, da die Zahl 2 die Hauptquantenzahl darstellt und p die Unterschale darstellt.
Magnetische Quantenzahl
Die magnetische Quantenzahl oder "m" beschreibt die Orientierung eines Orbitals basierend auf seiner Form (ℓ) und Energie (n). In Gleichungen sehen Sie die magnetische Quantenzahl, gekennzeichnet durch den Kleinbuchstaben M mit einem tiefgestellten ℓ, m_{ℓ}, der Ihnen die Orientierung der Orbitale innerhalb einer Unterebene angibt. Die Purdue University gibt an, dass Sie die magnetische Quantenzahl für jede Form benötigen, die keine Kugel ist, mit ℓ = 0, da Kugeln nur eine Ausrichtung haben. Andererseits können die "Blütenblätter" eines Orbitals mit Kleeblatt- oder Polarform in verschiedene Richtungen weisen, und die magnetische Quantenzahl gibt an, in welche Richtung sie gerichtet sind. Anstatt aufeinanderfolgende positive ganze Zahlen zu haben, kann eine magnetische Quantenzahl ganzzahlige Werte von -2, -1, 0, +1 oder +2 haben. Diese Werte teilen Unterschalen in einzelne Orbitale auf, die die Elektronen tragen. Außerdem hat jede Unterschale 2ℓ+1 Orbitale. Daher hat die Unterschale s, die der Winkelquantenzahl 0 entspricht, ein Orbital: (2x0)+1=1. Die Unterschale d, die der Winkelquantenzahl 2 entspricht, hätte fünf Orbitale: (2x2)+1=5.
Spinquantenzahl
Das Pauli-Ausschlussprinzip besagt, dass keine zwei Elektronen die gleichen n-, ℓ-, m- oder s-Werte haben können. Daher können sich nur maximal zwei Elektronen im gleichen Orbital befinden. Wenn sich zwei Elektronen im gleichen Orbital befinden, müssen sie sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, da sie ein Magnetfeld erzeugen. Die Spinquantenzahl oder s ist die Richtung, in der sich ein Elektron dreht. In einer Gleichung sehen Sie diese Zahl möglicherweise durch ein kleines m und einen tiefgestellten Kleinbuchstaben s oder m_{s} dargestellt. Da sich ein Elektron nur in eine von zwei Richtungen drehen kann – im oder gegen den Uhrzeigersinn – sind die Zahlen, die s darstellen, +1/2 oder -1/2. Wissenschaftler können den Spin als "oben" bezeichnen, wenn er gegen den Uhrzeigersinn verläuft, was bedeutet, dass die Spinquantenzahl +1/2 beträgt. Wenn der Spin "down" ist, hat er einen m_{s}-Wert von -1/2.