רמות אנרגיה ומסלולים מסייעים בתיאור המבנה האלקטרוני של אטום. הם מייעדים כיצד אלקטרונים מסודרים בתוך אטומים, והתיאור של אנרגיות כאלה נגזר מתורת הקוונטים.
תורת הקוונטים
תורת הקוונטים מניחה כי אטומים יכולים להתקיים רק במצבי אנרגיה מסוימים. אם אטום, או אלקטרון בקורלציה, משנה את המצב, הוא סופג או פולט כמות אנרגיה השווה להפרש האנרגיה בין המצבים.
האנרגיה הנפלטת או הנספגת מכמתת; זו אנרגיה המאופיינת ב סכומים מוגדרים. ניתן לתאר את מצבי האנרגיה המותרים הללו באמצעות קבוצות מספרים הנקראות מספרים קוונטיים.
מספרים קוונטיים
ניתן לתאר את סידור האלקטרון באטום על ידי ארבעה מספרים קוונטיים: n, l, M_l_ ומ 'ס. אלה מתייחסים לרמת האנרגיה, קליפות משנה אלקטרונים, כיוון מסלול וסיבוב, בהתאמה.
מספר קוונטי ראשון: רמת אנרגיה
המספר הקוונטי הראשון נקבע על ידי נ והיא רמת האנרגיה העיקרית.
ההגדרה העיקרית של רמת האנרגיה מספרת לצופה את גודל המסלול וקובעת אנרגיה. עלייה ב נ הוא עלייה באנרגיה, וזה גם אומר שהאלקטרון רחוק יותר מהגרעין.
המספר הקוונטי הראשון יכול לקחת רק ערכים אינטגרליים, החל מ- 1; נ = 1, 2, 3, 4... כל רמת אנרגיה תואמת גם לאות: נ = 1 (K), 2 (L), 3 (M), 4 (N) ...
מספר קוונטי ראשון: חישובי מסלול ואלקטרונים
כדי לחשב את כמות האורביטלים ממספר הקוונטים העיקרי, השתמש נ2. יש נ2 אורביטלים לכל רמת אנרגיה. עבור נ = 1, יש 12 או מסלול אחד. עבור n = 2, יש 22 או ארבעה מסלולים. ל נ = 3 יש תשעה מסלולים, עבור נ = 4 יש 16 מסלולים, עבור נ = 5 יש 52 = 25 מסלולים, וכן הלאה.
לחישוב המספר המרבי של אלקטרונים בכל רמת אנרגיה, הנוסחה 2נ2 ניתן להשתמש, היכן נ היא רמת האנרגיה העיקרית (המספר הקוונטי הראשון). לדוגמא, רמת אנרגיה 1, 2 (1)2 מחשב לשני אלקטרונים אפשריים שישתלבו ברמת האנרגיה הראשונה.
מספר קוונטי שני: קליפות משנה אלקטרונים
המספר הקוונטי השני מציין גבהות משנה ומוגדר באות l. מספר קוונטי זה מציין מעטפות משנה של אלקטרונים ואת הצורה הכללית של ענן האלקטרונים.
שני המספרים הקוונטיים הראשונים קשורים זה לזה. לכל נתון נ, l יכול לקחת על עצמו כל אינטגרל החל מ- 0 עד למקסימום של (נ – 1); l = 0, 1, 2, 3 ...
הרמות הקוונטיות, l = 0, 1, 2, 3 תואמים את מעטפי המשנה האלקטרוניים s, p, d, f, בהתאמה. צורתם של s היא כדורית, p היא בצורת דמות שמונה, ומסלולי d ו- f הם בעלי עיצוב מורכב יותר, בעיקר מעורבים אורביטלים בצורת תלתן.
כל מעטפת משנה של אלקטרונים יכולה להכיל כמות מסוימת של אלקטרונים, s = 2, p = 6, d = 10 ו- f = 14.
מספר קוונטי שלישי: כיוון מסלול
המספר הקוונטי השלישי m_l_, מציין כיצד ענן האלקטרונים מכוון בחלל.
למספר קוונטי זה יכול להיות כל ערך אינטגרלי, כולל 0, בין l וגם -l (המספר הקוונטי השני), או, m_l = _l... 2, 1, 0, -1, -2... -l
ל l = 0, יש רק 1 מ 'l ערך, גם 0. זה מכיל מסלול אחד בלבד. עבור מסלול p, מl_ = 1, 0, -1. זה תואם את שלושת האורביטלים p בשלושה כיוונים שונים, pאיקס, עמ 'y, עמ 'z, המקביל לציר ה- x, y ו- z התלת-ממדי.
מספר קוונטי רביעי: ספין אלקטרונים
המספר הקוונטי הרביעי מייעד סיבוב בכיוון השעון או נגד כיוון השעון.
אלקטרון הוא חלקיק טעון שמסתובב על ציר ולכן יש לו תכונות מגנטיות. המספר הקוונטי הזה אינו קשור ל- n, l, Ml, ויכולים להכיל שני ערכים אפשריים בלבד: +1/2 או -1/2.
תוספת המספר הקוונטי הרביעי מאפשרת לאלקטרונים להתמלא לאורביטלים מבלי לשבור את עקרון ההדרה של פאולי. זה קובע כי אין לשני אלקטרונים יכולה להיות אותה קבוצה של ארבעה מספרים קוונטיים.
שימוש במספרים קוונטיים לחישוב אורביטלים
נזכיר כי מציאת כמות האורביטלים ברמת אנרגיה יכולה להיגזר על ידי הנוסחה נ2. לרמת האנרגיה 3, n = (3)2 או תשעה מסלולים.
ניתן לבצע חישוב שהושלם יותר בעזרת המידע מהמספרים הקוונטיים לעיל. ל נ = 3, הערכים של l יכול להוסיף. ל l = 0, יש רק מסלול אחד, Ml = 0. ל l = 1, ישנם שלושה ערכים (Ml = −1, 0 או +1). ל l = 2, ישנם חמישה ערכים אפשריים (Ml = −2, −1, 0, +1 או +2). אז הוספת האפשרויות נותנת 1 + 3 + 5 = 9 מסלולים בסך הכל.