Décrire les quatre nombres quantiques utilisés pour caractériser un électron dans un atome

Les nombres quantiques sont des valeurs qui décrivent l'énergie ou l'état énergétique de l'électron d'un atome. Les chiffres indiquent le spin, l'énergie, le moment magnétique et le moment angulaire d'un électron. Selon l'Université de Purdue, les nombres quantiques proviennent du modèle de Bohr, de l'équation d'onde Hw = Ew de Schrödinger, des règles de Hund et de la théorie orbitale de Hund-Mulliken. Pour comprendre les nombres quantiques qui décrivent les électrons dans un atome, il est utile de se familiariser avec les termes et principes de physique et de chimie associés.

Les électrons tournent dans des coquilles atomiques appelées orbitales. Caractérisé par « n », le nombre quantique principal identifie la distance entre le noyau d'un atome et un électron, la taille du orbitale et le moment angulaire azimutal, qui est le deuxième nombre quantique représenté par "ℓ". Le nombre quantique principal aussi décrit l'énergie d'une orbitale car les électrons sont dans un état de mouvement constant, ont des charges opposées et sont attirés par le noyau. Les orbitales où n=1 sont plus proches du noyau d'un atome que celles où n=2 ou un nombre supérieur. Lorsque n=1, un électron est dans un état fondamental. Lorsque n=2, les orbitales sont dans un état excité.

Représenté par « ℓ », le nombre quantique angulaire ou azimutal identifie la forme d'une orbitale. Il vous indique également dans quelle couche suborbitale, ou couche atomique, vous pouvez trouver un électron. L'Université Purdue dit que les orbitales peuvent avoir des formes sphériques où ℓ=0, des formes polaires où ℓ=1 et des formes de trèfle où ℓ=2. Une forme de trèfle qui a un pétale supplémentaire est définie par =3. Les orbitales peuvent avoir des formes plus complexes avec des pétales supplémentaires. Les nombres quantiques angulaires peuvent avoir n'importe quel entier compris entre 0 et n-1 pour décrire la forme d'une orbitale. Lorsqu'il y a des sous-orbitales, ou sous-coquilles, une lettre représente chaque type: « s » pour ℓ=0, « p » pour ℓ=1, « d » pour ℓ=2 et « f » pour ℓ=3. Les orbitales peuvent avoir plus de sous-coques qui se traduisent par un nombre quantique angulaire plus grand. Plus la valeur de la sous-coque est élevée, plus elle est sous tension. Lorsque =1 et n=2, la sous-couche est 2p car le nombre 2 représente le nombre quantique principal et p représente la sous-couche.

Le nombre quantique magnétique, ou "m", décrit l'orientation d'une orbitale en fonction de sa forme (ℓ) et de son énergie (n). Dans les équations, vous verrez le nombre quantique magnétique caractérisé par la lettre minuscule M avec un indice ℓ, m_{ℓ}, qui vous indique l'orientation des orbitales dans un sous-niveau. L'Université Purdue déclare que vous avez besoin du nombre quantique magnétique pour toute forme qui n'est pas une sphère, où = 0, car les sphères n'ont qu'une seule orientation. D'un autre côté, les "pétales" d'une orbitale avec une forme de trèfle ou de forme polaire peuvent faire face à différentes directions, et le nombre quantique magnétique indique dans quelle direction ils font face. Au lieu d'avoir des nombres entiers positifs consécutifs, un nombre quantique magnétique peut avoir des valeurs entières de -2, -1, 0, +1 ou +2. Ces valeurs divisent les sous-couches en orbitales individuelles qui transportent les électrons. De plus, chaque sous-couche a 2ℓ+1 orbitales. Par conséquent, la sous-couche s, qui est égale au nombre quantique angulaire 0, a une orbitale: (2x0)+1=1. La sous-couche d, qui est égale au nombre quantique angulaire 2, aurait cinq orbitales: (2x2)+1=5.

Le principe d'exclusion de Pauli dit que deux électrons ne peuvent pas avoir les mêmes valeurs n, ℓ, m ou s. Par conséquent, seulement un maximum de deux électrons peuvent être dans la même orbitale. Lorsqu'il y a deux électrons dans la même orbitale, ils doivent tourner dans des directions opposées, car ils créent un champ magnétique. Le nombre quantique de spin, ou s, est la direction dans laquelle un électron tourne. Dans une équation, vous pouvez voir ce nombre représenté par un m minuscule et un indice minuscule s, ou m_{s}. Puisqu'un électron ne peut tourner que dans l'une des deux directions - dans le sens horaire ou antihoraire - les nombres qui représentent s sont +1/2 ou -1/2. Les scientifiques peuvent qualifier le spin de "vers le haut" lorsqu'il est dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, ce qui signifie que le nombre quantique de spin est de +1/2. Lorsque le spin est "vers le bas", il a une valeur m_{s} de -1/2.