อธิบายตัวเลขควอนตัมสี่ตัวที่ใช้แสดงลักษณะอิเล็กตรอนในอะตอม

ตัวเลขควอนตัมคือค่าที่อธิบายสถานะพลังงานหรือพลังงานของอิเล็กตรอนของอะตอม ตัวเลขแสดงถึงการหมุน พลังงาน โมเมนต์แม่เหล็ก และโมเมนต์เชิงมุมของอิเล็กตรอน จากข้อมูลของมหาวิทยาลัย Purdue ตัวเลขควอนตัมมาจากแบบจำลอง Bohr สมการคลื่น Hw = Ew ของชโรดิงเงอร์ กฎของ Hund และทฤษฎีการโคจรของ Hund-Mulliken เพื่อให้เข้าใจตัวเลขควอนตัมที่อธิบายอิเล็กตรอนในอะตอม การทำความคุ้นเคยกับคำศัพท์และหลักการทางฟิสิกส์และเคมีที่เกี่ยวข้องจะเป็นประโยชน์

อิเล็กตรอนหมุนในเปลือกอะตอมที่เรียกว่าออร์บิทัล เลขควอนตัมหลักแสดงโดย "n" ระบุระยะห่างจากนิวเคลียสของอะตอมไปยังอิเล็กตรอน ขนาดของ ออร์บิทัลและโมเมนตัมเชิงมุมแอซิมุทัล ซึ่งเป็นเลขควอนตัมที่สองแทนด้วย "ℓ" เลขควอนตัมหลักด้วย อธิบายพลังงานของวงโคจรเนื่องจากอิเล็กตรอนอยู่ในสถานะเคลื่อนที่คงที่ มีประจุตรงข้าม และถูกดึงดูดไปยัง นิวเคลียส. ออร์บิทัลโดยที่ n=1 อยู่ใกล้กับนิวเคลียสของอะตอมมากกว่าที่ n=2 หรือจำนวนที่สูงกว่า เมื่อ n=1 อิเล็กตรอนอยู่ในสถานะกราวด์ เมื่อ n=2 ออร์บิทัลอยู่ในสถานะตื่นเต้น

แทนด้วย “ℓ” เลขควอนตัมเชิงมุมหรือแอซิมุทัลระบุรูปร่างของออร์บิทัล นอกจากนี้ยังบอกคุณว่าชั้น suborbital หรือ atomic shell layer ใดที่คุณสามารถหาอิเล็กตรอนได้ มหาวิทยาลัย Purdue กล่าวว่าออร์บิทัลสามารถมีรูปร่างเป็นทรงกลมได้ โดยที่ ℓ=0, รูปร่างขั้วโลก โดยที่ ℓ=1 และรูปร่างโคลเวอร์ลีฟโดยที่ ℓ=2 รูปร่างใบโคลเวอร์ลีฟที่มีกลีบดอกเพิ่มเติมถูกกำหนดโดย ℓ=3 Orbitals สามารถมีรูปร่างที่ซับซ้อนมากขึ้นด้วยกลีบเพิ่มเติม ตัวเลขควอนตัมเชิงมุมสามารถมีเลขจำนวนเต็มใดๆ ระหว่าง 0 ถึง n-1 เพื่ออธิบายรูปร่างของออร์บิทัล เมื่อมี sub-orbitals หรือ sub-shells ตัวอักษรแสดงถึงแต่ละประเภท: “s” สำหรับ “=0, “p” สำหรับ ℓ=1, “d” สำหรับ ℓ=2 และ “f” สำหรับ ℓ=3 ออร์บิทัลสามารถมีเชลล์ย่อยได้มากกว่า ซึ่งส่งผลให้มีจำนวนควอนตัมเชิงมุมมากขึ้น ยิ่งค่าของ sub-shell มากเท่าไหร่ ก็ยิ่งมีพลังมากขึ้นเท่านั้น เมื่อ ℓ=1 และ n=2 เชลล์ย่อยคือ 2p เนื่องจากหมายเลข 2 แทนหมายเลขควอนตัมหลัก และ p แทนเชลล์ย่อย

เลขควอนตัมแม่เหล็กหรือ "m" อธิบายการวางแนวของวงโคจรตามรูปร่าง (ℓ) และพลังงาน (n) ในสมการ คุณจะเห็นเลขควอนตัมแม่เหล็กที่มีลักษณะเป็นอักษรตัวพิมพ์เล็ก M โดยมีตัวห้อย ℓ, m_{ℓ} ซึ่งบอกทิศทางของออร์บิทัลภายในระดับย่อย มหาวิทยาลัย Purdue ระบุว่าคุณต้องการเลขควอนตัมแม่เหล็กสำหรับรูปร่างใดๆ ที่ไม่ใช่ทรงกลม โดยที่ ℓ=0 เนื่องจากทรงกลมมีทิศทางเดียวเท่านั้น ในทางกลับกัน "กลีบดอก" ของวงโคจรที่มีใบโคลเวอร์ลีฟหรือรูปร่างมีขั้วสามารถหันไปทางทิศต่างๆ และเลขควอนตัมแม่เหล็กจะบอกทิศทางที่พวกมันหันไป แทนที่จะมีเลขจำนวนเต็มบวกต่อเนื่องกัน หมายเลขควอนตัมแม่เหล็กสามารถมีค่าปริพันธ์เป็น -2, -1, 0, +1 หรือ +2 ค่าเหล่านี้แบ่งเปลือกย่อยออกเป็นออร์บิทัลแต่ละออร์บิทัลที่มีอิเล็กตรอน นอกจากนี้ แต่ละเชลล์ย่อยยังมีออร์บิทัล 2ℓ+1 ดังนั้น sub-shell s ซึ่งเท่ากับเลขควอนตัมเชิงมุม 0 มีหนึ่งออร์บิทัล: (2x0)+1=1 Sub-shell d ซึ่งเท่ากับควอนตัมเชิงมุมหมายเลข 2 จะมีห้าออร์บิทัล: (2x2)+1=5

หลักการกีดกันของ Pauli กล่าวว่าไม่มีอิเล็กตรอนสองตัวใดที่สามารถมีค่า n, ℓ, m หรือ s เท่ากันได้ ดังนั้นอิเล็กตรอนสูงสุด 2 ตัวเท่านั้นที่สามารถอยู่ในวงโคจรเดียวกันได้ เมื่อมีอิเล็กตรอนสองตัวในวงโคจรเดียวกัน พวกมันจะต้องหมุนไปในทิศทางตรงกันข้าม เพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก เลขควอนตัมสปินหรือ s คือทิศทางที่อิเล็กตรอนหมุน ในสมการ คุณอาจเห็นตัวเลขนี้แสดงด้วยตัวพิมพ์เล็ก m และตัวห้อยตัวพิมพ์เล็ก s หรือ m_{s} เนื่องจากอิเล็กตรอนสามารถหมุนได้เพียงสองทิศทางเท่านั้น - ตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา - ตัวเลขที่แสดง s คือ +1/2 หรือ -1/2 นักวิทยาศาสตร์อาจเรียกการหมุนเป็น "ขึ้น" เมื่อทวนเข็มนาฬิกา ซึ่งหมายความว่าเลขควอนตัมของการหมุนคือ +1/2 เมื่อการหมุนเป็น "ลง" จะมีค่า m_{s} เป็น -1/2