Квантови числа

Квантовите числа n, ℓ, mℓ и mₛ означават допустимите електронни състояния в атома. Те не са координати на класическа орбита, а означения на решенията на квантовия проблем.

Основна идея и определение

Главното квантово число n определя слоя и радиалния мащаб. За дадено n, ℓ може да е 0…n−1. Означенията s, p, d и f са имената за ℓ=0,1,2,3.

n определя главния слой

Това е следствие от модела, а не отделно правило за запаметяване. Величините трябва да се запишат явно и да се проверят единиците и физичният граничен случай.

mₛ е +1/2 или −1/2

Смисълът е най-ясен, когато символното отношение се свърже с електронната или ядрената структура, която действително се променя. Тенденция без механизъм лесно се прилага погрешно.

Ъгловите възли са ℓ

При изчисление знакът и референтното състояние се определят преди заместването на числа. Така един символ не получава две различни физични роли.

(n, ℓ, mℓ, mₛ)0≤ℓ≤n−1 · −ℓ≤mℓ≤ℓMendeleev · Квантови числа
Модел и ключова връзка

Механизъм и количествен модел

За всяко ℓ, mℓ приема −ℓ…+ℓ, общо 2ℓ+1 орбитали. Проекцията на спина mₛ е ±1/2. Четворката (n,ℓ,mℓ,mₛ) означава едно допустимо едноелектронно състояние.

ℓ приема стойности от 0 до n−1

Връзката е добра проверка за съгласуваност: резултатът трябва да спазва законите за запазване, допустимите квантови състояния и правилния порядък.

Подслоят има 2ℓ+1 орбитали

Среден модел може да описва тенденция, без да е пряко измерване на една локална величина. Това е важно при многоелектронни системи.

Радиалните възли са n−ℓ−1

Доброто обяснение отделя причина от корелация. Мястото в периодичната таблица показва модела, а орбиталната структура и екранирането дават механизма.

ТипnℓmℓmₛОрбитали
2s200±1/21
3p31−1,0,+1±1/23
4d42−2…+2±1/25
5f53−3…+3±1/27

Какво показват измерванията и изчисленията

Сумирането дава n² орбитали в слой и с две спинови проекции капацитет 2n² електрона. При n=3 има една 3s, три 3p и пет 3d орбитали.

s, p, d и f съответстват на ℓ=0,1,2,3

Освен идеалния модел трябва да се знае какво променя експеримента: възбудени състояния, среда, ефективност на детектора или многочастични ефекти.

Слоят има n² орбитали и 2n² електрона

Сравнението със съседен случай показва дали промяната идва от Z, n, сдвояване, проникване или друг механизъм.

Диполен преход обикновено има Δℓ=±1

Това е следствие от модела, а не отделно правило за запаметяване. Величините трябва да се запишат явно и да се проверят единиците и физичният граничен случай.

Ограничения и връзки

Общият брой възли е n−1, ъгловите са ℓ, а радиалните n−ℓ−1. Възлите влияят на проникването и припокриването; спектралните правила също се записват с квантови числа, например Δℓ=±1.

mℓ е от −ℓ до +ℓ

Смисълът е най-ясен, когато символното отношение се свърже с електронната или ядрената структура, която действително се променя. Тенденция без механизъм лесно се прилага погрешно.

Общият брой възли е n−1

При изчисление знакът и референтното състояние се определят преди заместването на числа. Така един символ не получава две различни физични роли.

Решени примери

Задача 1

Изчисли максималния брой електрони в слой n=3.

Решение

2n²=2·9=18 електрона.

Задача 2

За 4d: n=4 и ℓ=2. Намери общите, ъгловите и радиалните възли.

Решение

Общо 3, ъглови 2 и радиални 1.

Задача 3

Допустимо ли е (n,ℓ,mℓ,mₛ)=(3,3,0,+1/2)?

Решение

Не. При n=3, ℓ може да бъде само 0, 1 или 2.

Главното квантово число n определя слоя и радиалния мащаб. За дадено n, ℓ може да е 0…n−1. Означенията s, p, d и f са имената за ℓ=0,1,2,3. За всяко ℓ, mℓ приема −ℓ…+ℓ, общо 2ℓ+1 орбитали. Проекцията на спина mₛ е ±1/2. Четворката (n,ℓ,mℓ,mₛ) означава едно допустимо едноелектронно състояние. Сумирането дава n² орбитали в слой и с две спинови проекции капацитет 2n² електрона. При n=3 има една 3s, три 3p и пет 3d орбитали. Общият брой възли е n−1, ъгловите са ℓ, а радиалните n−ℓ−1. Възлите влияят на проникването и припокриването; спектралните правила също се записват с квантови числа, например Δℓ=±1.