Opisz cztery liczby kwantowe używane do scharakteryzowania elektronu w atomie

Liczby kwantowe to wartości opisujące energię lub stan energetyczny elektronu atomu. Liczby wskazują spin elektronu, energię, moment magnetyczny i moment kątowy. Według Purdue University liczby kwantowe pochodzą z modelu Bohra, równania falowego Hw = Ew Schrödingera, reguł Hunda i teorii orbitalnej Hunda-Mullikena. Aby zrozumieć liczby kwantowe opisujące elektrony w atomie, pomocna jest znajomość powiązanych terminów i zasad fizyki i chemii.

Elektrony wirują w powłokach atomowych zwanych orbitalami. Charakteryzowana przez „n”, główna liczba kwantowa określa odległość od jądra atomu do elektronu, wielkość orbitalny i azymutalny moment pędu, który jest drugą liczbą kwantową reprezentowaną przez „ℓ”. Główna liczba kwantowa również opisuje energię orbity, ponieważ elektrony są w stałym stanie ruchu, mają przeciwne ładunki i są przyciągane do jądro. Orbitale, w których n=1 są bliżej jądra atomu niż te, w których n=2 lub wyższa liczba. Gdy n=1, elektron jest w stanie podstawowym. Gdy n=2, orbitale są w stanie wzbudzonym.

Reprezentowana przez „ℓ”, kątowa lub azymutalna liczba kwantowa określa kształt orbity. Informuje również, w której warstwie suborbitalnej lub powłoki atomowej można znaleźć elektron. Purdue University twierdzi, że orbitale mogą mieć kształty sferyczne, gdzie ℓ=0, biegunowe, gdzie ℓ=1 i koniczyny, gdzie ℓ=2. Kształt koniczyny z dodatkowym płatkiem jest określony przez ℓ=3. Orbitale mogą mieć bardziej złożone kształty z dodatkowymi płatkami. Kątowe liczby kwantowe mogą mieć dowolną liczbę całkowitą z przedziału od 0 do n-1 opisującą kształt orbitalu. Gdy istnieją suborbitale lub podpowłoki, litera reprezentuje każdy typ: „s” dla ℓ=0, „p” dla ℓ=1, „d” dla ℓ=2 i „f” dla ℓ=3. Orbitale mogą mieć więcej podpowłok, co skutkuje większą kątową liczbą kwantową. Im większa wartość podpowłoki, tym bardziej jest pod napięciem. Gdy ℓ=1 i n=2, podpowłoka to 2p, ponieważ liczba 2 reprezentuje główną liczbę kwantową, a p reprezentuje podpowłokę.

Magnetyczna liczba kwantowa lub „m” opisuje orientację orbity na podstawie jej kształtu (ℓ) i energii (n). W równaniach zobaczysz magnetyczną liczbę kwantową scharakteryzowaną przez małą literę M z indeksem ℓ, m_{ℓ}, który mówi o orientacji orbitali na podpoziomie. Purdue University twierdzi, że potrzebna jest magnetyczna liczba kwantowa dla dowolnego kształtu, który nie jest kulą, gdzie where=0, ponieważ kule mają tylko jedną orientację. Z drugiej strony „płatki” orbitala o kształcie koniczyny lub bieguna mogą być skierowane w różne strony, a magnetyczna liczba kwantowa mówi, w którą stronę są skierowane. Zamiast kolejnych dodatnich liczb całkowitych, magnetyczna liczba kwantowa może mieć wartości całkowite -2, -1, 0, +1 lub +2. Wartości te dzielą podpowłoki na pojedyncze orbitale, które przenoszą elektrony. Ponadto każda podpowłoka ma 2ℓ+1 orbitali. Zatem podpowłoka s, która jest równa kątowej liczbie kwantowej 0, ma jeden orbital: (2x0)+1=1. Podpowłoka d, równa kątowej liczbie kwantowej 2, miałaby pięć orbitali: (2x2)+1=5.

Zasada wykluczenia Pauliego mówi, że żadne dwa elektrony nie mogą mieć takich samych wartości n, ℓ, m lub s. Dlatego tylko maksymalnie dwa elektrony mogą znajdować się na tym samym orbicie. Kiedy na tym samym orbicie znajdują się dwa elektrony, muszą obracać się w przeciwnych kierunkach, ponieważ tworzą pole magnetyczne. Spinowa liczba kwantowa, czyli s, to kierunek, w którym wiruje elektron. W równaniu możesz zobaczyć tę liczbę reprezentowaną przez małą literę m i małą literę indeksu dolnego s lub m_{s}. Ponieważ elektron może obracać się tylko w jednym z dwóch kierunków - zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara - liczby reprezentujące s to +1/2 lub -1/2. Naukowcy mogą określać spin jako „w górę”, gdy jest przeciwny do ruchu wskazówek zegara, co oznacza, że ​​liczba kwantowa spinu wynosi +1/2. Kiedy spin jest „w dół”, ma wartość m_{s} równą -1/2.