Περιγράψτε τους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς που χρησιμοποιούνται για τον χαρακτηρισμό ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο

Οι κβαντικοί αριθμοί είναι τιμές που περιγράφουν την ενέργεια ή την ενεργειακή κατάσταση ενός ηλεκτρονίου ενός ατόμου. Οι αριθμοί δείχνουν μια περιστροφή, ενέργεια, μαγνητική ροπή και γωνιακή ροπή ενός ηλεκτρονίου. Σύμφωνα με το Πανεπιστήμιο Purdue, οι κβαντικοί αριθμοί προέρχονται από το μοντέλο Bohr, την εξίσωση κύματος Hw = Ew του Schrödinger, τους κανόνες του Hund και την τροχιακή θεωρία του Hund-Mulliken. Για να κατανοήσετε τους κβαντικούς αριθμούς που περιγράφουν τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο, είναι χρήσιμο να εξοικειωθείτε με τους σχετικούς όρους και αρχές της φυσικής και της χημείας.

Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται σε ατομικά κελύφη που ονομάζονται τροχιακά. Χαρακτηρίζεται από το «n», ο κύριος κβαντικός αριθμός προσδιορίζει την απόσταση από τον πυρήνα ενός ατόμου σε ένα ηλεκτρόνιο, το μέγεθος του τροχιακή και η αζιμουθιακή γωνιακή ορμή, που είναι ο δεύτερος κβαντικός αριθμός που αντιπροσωπεύεται από το "ℓ." Ο κύριος κβαντικός αριθμός επίσης περιγράφει την ενέργεια ενός τροχιακού δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε συνεχή κατάσταση κίνησης, έχουν αντίθετα φορτία και έλκονται από το πυρήνας. Τροχιακά όπου n = 1 είναι πιο κοντά στον πυρήνα ενός ατόμου από εκείνα όπου n = 2 ή υψηλότερος αριθμός. Όταν n = 1, ένα ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε κατάσταση γείωσης. Όταν n = 2, τα τροχιακά βρίσκονται σε κατάσταση διέγερσης.

Αναπαριστάται από το "ℓ", ο γωνιακός ή αζιμουθιακός, κβαντικός αριθμός προσδιορίζει το σχήμα μιας τροχιακής. Σας λέει επίσης σε ποια υποβρύχια ή ατομική στρώση κελύφους, μπορείτε να βρείτε ένα ηλεκτρόνιο. Το Πανεπιστήμιο Purdue λέει ότι τα τροχιακά μπορεί να έχουν σφαιρικά σχήματα όπου ℓ = 0, πολικά σχήματα όπου ℓ = 1 και τριφύλλι σχήματα όπου ℓ = 2. Ένα σχήμα τριφυλλιού που έχει ένα επιπλέον πέταλο ορίζεται από ℓ = 3. Οι τροχιές μπορούν να έχουν πιο περίπλοκα σχήματα με επιπλέον πέταλα. Οι γωνιακοί κβαντικοί αριθμοί μπορούν να έχουν οποιοδήποτε ακέραιο μεταξύ 0 και n-1 για να περιγράψουν το σχήμα μιας τροχιακής. Όταν υπάρχουν υπο-τροχιακά ή υπό-κελύφη, ένα γράμμα αντιπροσωπεύει κάθε τύπο: "s" για ℓ = 0, "p" για ℓ = 1, "d" για ℓ = 2 και "f" για ℓ = 3. Τα τροχιακά μπορεί να έχουν περισσότερα υπο-κελύφη που οδηγούν σε μεγαλύτερο γωνιακό κβαντικό αριθμό. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του υπο-κελύφους, τόσο πιο ενεργητική είναι. Όταν ℓ = 1 και n = 2, το υπο-κέλυφος είναι 2p καθώς ο αριθμός 2 αντιπροσωπεύει τον κύριο κβαντικό αριθμό και το p αντιπροσωπεύει το υπο-κέλυφος.

Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός, ή "m", περιγράφει τον προσανατολισμό του τροχιακού με βάση το σχήμα του (ℓ) και την ενέργεια (n). Στις εξισώσεις, θα δείτε τον μαγνητικό κβαντικό αριθμό που χαρακτηρίζεται από το πεζό γράμμα M με ένα δείκτη ℓ, m_ {ℓ}, το οποίο σας λέει τον προσανατολισμό των τροχιακών σε ένα υπο-επίπεδο. Το Πανεπιστήμιο Purdue δηλώνει ότι χρειάζεστε τον μαγνητικό κβαντικό αριθμό για οποιοδήποτε σχήμα που δεν είναι σφαίρα, όπου ℓ = 0, επειδή οι σφαίρες έχουν μόνο έναν προσανατολισμό. Από την άλλη πλευρά, τα «πέταλα» ενός τροχιακού με τριφυλλιού ή πολικό σχήμα μπορούν να αντιμετωπίσουν διαφορετικές κατευθύνσεις και ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός δείχνει με ποιον τρόπο αντιμετωπίζουν. Αντί να έχουν διαδοχικούς θετικούς ακέραιους αριθμούς, ένας μαγνητικός κβαντικός αριθμός μπορεί να έχει ακέραιες τιμές -2, -1, 0, +1 ή +2. Αυτές οι τιμές χωρίζουν τα υπό-κελύφη σε μεμονωμένα τροχιακά που μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια. Επιπλέον, κάθε υπο-κέλυφος έχει 2ℓ + 1 τροχιακά. Επομένως, το υπό-κέλυφος s, που ισούται με τον γωνιακό κβαντικό αριθμό 0, έχει ένα τροχιακό: (2x0) + 1 = 1. Το υπόστρωμα d, που ισούται με τον γωνιακό κβαντικό αριθμό 2, θα έχει πέντε τροχιακά: (2x2) + 1 = 5.

Η αρχή αποκλεισμού Pauli λέει ότι κανένα δύο ηλεκτρόνια δεν μπορούν να έχουν τις ίδιες τιμές n, ℓ, m ή s. Επομένως, μόνο το πολύ δύο ηλεκτρόνια μπορούν να βρίσκονται στην ίδια τροχιά. Όταν υπάρχουν δύο ηλεκτρόνια στην ίδια τροχιά, πρέπει να περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις, καθώς δημιουργούν μαγνητικό πεδίο. Ο κβαντικός αριθμός περιστροφής, ή s, είναι η κατεύθυνση που περιστρέφεται ένα ηλεκτρόνιο. Σε μια εξίσωση, μπορεί να δείτε αυτόν τον αριθμό που αντιπροσωπεύεται από πεζά γράμματα m και πεζά γράμματα s ή m_ {s}. Επειδή ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να περιστρέφεται μόνο σε μία από τις δύο κατευθύνσεις - δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα - οι αριθμοί που αντιπροσωπεύουν s είναι +1/2 ή -1/2. Οι επιστήμονες μπορούν να αναφέρουν το περιστροφή ως "πάνω" όταν είναι αριστερόστροφα, πράγμα που σημαίνει ότι ο κβαντικός αριθμός περιστροφής είναι +1/2. Όταν το γύρισμα είναι "κάτω", έχει τιμή m_ {s} -1/2.