I numeri quantici sono valori che descrivono l'energia o lo stato energetico dell'elettrone di un atomo. I numeri indicano lo spin, l'energia, il momento magnetico e il momento angolare di un elettrone. Secondo la Purdue University, i numeri quantici derivano dal modello di Bohr, dall'equazione d'onda Hw = Ew di Schrödinger, dalle regole di Hund e dalla teoria degli orbitali di Hund-Mulliken. Per comprendere i numeri quantici che descrivono gli elettroni in un atomo, è utile conoscere i relativi termini e principi di fisica e chimica.
Numero Quantico Principale
Gli elettroni ruotano in gusci atomici chiamati orbitali. Caratterizzato da “n”, il numero quantico principale identifica la distanza dal nucleo di un atomo a un elettrone, la dimensione del orbitale e il momento angolare azimutale, che è il secondo numero quantico rappresentato da "ℓ". Anche il numero quantico principale descrive l'energia di un orbitale come gli elettroni sono in uno stato di movimento costante, hanno cariche opposte, e sono attratti dal nucleo. Gli orbitali dove n=1 sono più vicini al nucleo di un atomo di quelli dove n=2 o un numero maggiore. Quando n=1, un elettrone è in uno stato fondamentale. Quando n=2, gli orbitali sono in uno stato eccitato.
Numero quantico angolare
Rappresentato da "ℓ", il numero quantico angolare o azimutale identifica la forma di un orbitale. Ti dice anche in quale strato suborbitale, o guscio atomico, puoi trovare un elettrone. La Purdue University afferma che gli orbitali possono avere forme sferiche dove =0, forme polari dove ℓ=1 e forme a quadrifoglio dove ℓ=2. Una forma a quadrifoglio che ha un petalo in più è definita da ℓ=3. Gli orbitali possono avere forme più complesse con petali aggiuntivi. I numeri quantici angolari possono avere qualsiasi numero intero compreso tra 0 e n-1 per descrivere la forma di un orbitale. Quando ci sono sub-orbitali, o sub-shell, una lettera rappresenta ogni tipo: “s” per ℓ=0, “p” per ℓ=1, “d” per ℓ=2 e “f” per ℓ=3. Gli orbitali possono avere più sottoinvolucri che si traducono in un numero quantico angolare più grande. Maggiore è il valore del sub-shell, più è energizzato. Quando ℓ=1 e n=2, la sub-shell è 2p poiché il numero 2 rappresenta il numero quantico principale e p rappresenta la sub-shell.
Numero quantico magnetico
Il numero quantico magnetico, o "m", descrive l'orientamento di un orbitale in base alla sua forma (ℓ) ed energia (n). Nelle equazioni vedrai il numero quantico magnetico caratterizzato dalla lettera M minuscola con un pedice ℓ, m_{ℓ}, che ti dice l'orientamento degli orbitali all'interno di un sottolivello. La Purdue University afferma che è necessario il numero quantico magnetico per qualsiasi forma che non sia una sfera, dove =0, perché le sfere hanno un solo orientamento. D'altra parte, i "petali" di un orbitale con una forma a quadrifoglio o polare possono essere rivolti in direzioni diverse e il numero quantico magnetico indica in quale direzione sono rivolti. Invece di avere numeri interi positivi consecutivi, un numero quantico magnetico può avere valori integrali di -2, -1, 0, +1 o +2. Questi valori dividono i sub-shell in singoli orbitali che trasportano gli elettroni. Inoltre, ogni sub-shell ha orbitali 2ℓ+1. Pertanto, il sub-shell s, che è uguale al numero quantico angolare 0, ha un orbitale: (2x0)+1=1. Il sub-shell d, che è uguale al numero quantico angolare 2, avrebbe cinque orbitali: (2x2)+1=5.
Numero quantico di spin
Il principio di esclusione di Pauli afferma che non esistono due elettroni che possono avere gli stessi valori n, ℓ, mo s. Pertanto, solo un massimo di due elettroni possono trovarsi nello stesso orbitale. Quando ci sono due elettroni nello stesso orbitale, devono ruotare in direzioni opposte, poiché creano un campo magnetico. Il numero quantico di spin, o s, è la direzione di rotazione di un elettrone. In un'equazione, puoi vedere questo numero rappresentato da una m minuscola e da una lettera s minuscola pedice, o m_{s}. Poiché un elettrone può ruotare solo in una delle due direzioni, in senso orario o antiorario, i numeri che rappresentano s sono +1/2 o -1/2. Gli scienziati possono riferirsi allo spin come "su" quando è in senso antiorario, il che significa che il numero quantico di spin è +1/2. Quando lo spin è "down", ha un valore m_{s} di -1/2.