Popíšte štyri kvantové čísla používané na charakterizáciu elektrónu v atóme

Kvantové čísla sú hodnoty, ktoré popisujú energiu alebo energetický stav elektrónu atómu. Čísla označujú spin elektrónu, energiu, magnetický moment a uhlový moment. Podľa Purdueovej univerzity pochádzajú kvantové čísla z Bohrovho modelu, Schrödingerovej vlnovej rovnice Hw = Ew, Hundových pravidiel a Hund-Mullikenovej orbitálnej teórie. Aby sme pochopili kvantové čísla, ktoré popisujú elektróny v atóme, je užitočné oboznámiť sa s príbuznými pojmami a princípmi fyziky a chémie.

Elektróny sa otáčajú v atómových škrupinách nazývaných orbitály. Charakterizované znakom „n“, hlavné kvantové číslo označuje vzdialenosť od jadra atómu k elektrónu, veľkosť orbitálna a azimutálna hybná sila, čo je druhé kvantové číslo predstavované znakom „ℓ.“ Hlavné kvantové číslo tiež popisuje energiu orbitálu, pretože elektróny sú v konštantnom stave pohybu, majú opačné náboje a sú priťahované k jadro. Orbitaly, kde n = 1, sú bližšie k jadru atómu ako tie, kde n = 2 alebo vyššie číslo. Keď n = 1, elektrón je v základnom stave. Keď n = 2, orbitaly sú v excitovanom stave.

Uhlové alebo azimutálne kvantové číslo vyjadrené „ℓ“ označuje tvar obežnej dráhy. Tiež vám povie, v ktorej suborbitálnej alebo atómovej vrstve môžete nájsť elektrón. Purdue University hovorí, že orbitaly môžu mať sférické tvary, kde ℓ = 0, polárne tvary, kde ℓ = 1, a štvorlístkové tvary, kde ℓ = 2. Tvar štvorlístka, ktorý má ďalší okvetný lístok, je definovaný ℓ = 3. Orbitály môžu mať zložitejšie tvary s ďalšími okvetnými lístkami. Uhlové kvantové čísla môžu mať akékoľvek celé číslo od 0 do n-1 na opísanie tvaru obežnej dráhy. Ak existujú suborbitály alebo subškrupiny, predstavuje každý typ písmeno: „s“ pre ℓ = 0, „p“ pre ℓ = 1, „d“ pre ℓ = 2 a „f“ pre ℓ = 3. Orbitály môžu mať viac čiastkových škrupín, ktorých výsledkom je väčšie uhlové kvantové číslo. Čím vyššia je hodnota čiastočného plášťa, tým viac energie je. Keď ℓ = 1 an = 2, čiastková škrupina je 2p, pretože číslo 2 predstavuje hlavné kvantové číslo a p predstavuje čiastkovú škrupinu.

Magnetické kvantové číslo alebo „m“ popisuje orientáciu obežnej dráhy na základe jej tvaru (ℓ) a energie (n). V rovniciach uvidíte magnetické kvantové číslo charakterizované malým písmenom M s dolným indexom ℓ, m_ {ℓ}, ktorý vám povie orientáciu orbitalov v rámci podúrovne. Purdue University tvrdí, že magnetické kvantové číslo potrebujete pre akýkoľvek tvar, ktorý nie je sférou, kde ℓ = 0, pretože gule majú iba jednu orientáciu. Na druhej strane môžu „okvetné lístky“ orbitálu s štvorlístkom alebo polárnym tvarom smerovať do rôznych smerov a magnetické kvantové číslo hovorí, ktorým smerom sú otočené. Namiesto postupných kladných celých čísel môže mať magnetické kvantové číslo integrálne hodnoty -2, -1, 0, +1 alebo +2. Tieto hodnoty rozdeľujú čiastkové škrupiny na jednotlivé orbitaly, ktoré prenášajú elektróny. Okrem toho má každá čiastková škrupina 2 1 + 1 orbitálov. Preto čiastková škrupina s, ktorá sa rovná uhlovému kvantovému číslu 0, má jednu obežnú dráhu: (2x0) + 1 = 1. Subškrupka d, ktorá sa rovná uhlovému kvantovému číslu 2, by mala päť orbitalov: (2x2) + 1 = 5.

Princíp vylúčenia Pauliho hovorí, že žiadne dva elektróny nemôžu mať rovnaké hodnoty n, ℓ, m alebo s. Preto môžu byť na tej istej obežnej dráhe iba maximálne dva elektróny. Keď sú na rovnakom orbitáli dva elektróny, musia sa točiť opačným smerom, pretože vytvárajú magnetické pole. Spinové kvantové číslo alebo s je smer, ktorým sa otáča elektrón. V rovnici môžete toto číslo vidieť ako malé písmeno m a dolné písmeno s dolným indexom alebo m_ {s}. Pretože elektrón sa môže otáčať iba v jednom z dvoch smerov - v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek - čísla, ktoré predstavujú s, sú +1/2 alebo -1/2. Vedci môžu označiť rotáciu ako „nahor“, keď je proti smeru hodinových ručičiek, čo znamená, že kvantové číslo rotácie je +1/2. Keď je rotácia „dole“, má hodnotu m_ {s} -1/2.