Kvanttiluvut

Kvanttiluvut n, ℓ, mℓ ja mₛ nimeävät atomissa sallitut elektronitilat. Ne eivät ole klassisen radan koordinaatteja vaan kvanttimekaanisen ratkaisun tunnuksia.

Perusajatus ja määritelmä

Pääkvanttiluku n määrää kuoren ja radiaalisen mittakaavan. Arvolle n sivukvanttiluku ℓ voi olla 0…n−1. Merkinnät s, p, d ja f tarkoittavat vain ℓ-arvoja 0,1,2,3.

n määrää pääkuoren

Tämä seuraa mallista eikä ole irrallinen muistisääntö. Suureet kannattaa kirjoittaa näkyviin ja tarkistaa sekä yksiköt että fysikaalinen raja-arvo.

mₛ on +1/2 tai −1/2

Kohta ymmärretään parhaiten, kun symbolinen yhteys yhdistetään siihen elektroni- tai ydinrakenteeseen, joka todella muuttuu. Pelkkä trendi on helppo yleistää väärin.

Kulmasolmuja on ℓ

Laskussa merkki ja vertailutila määritetään ennen lukujen sijoittamista. Näin sama symboli ei saa huomaamatta kahta eri fysikaalista merkitystä.

(n, ℓ, mℓ, mₛ)0≤ℓ≤n−1 · −ℓ≤mℓ≤ℓMendeleev · Kvanttiluvut
Malli ja keskeinen yhteys

Mekanismi ja kvantitatiivinen malli

Jokaisella ℓ:llä mℓ saa arvot −ℓ…+ℓ eli orbitaaleja on 2ℓ+1. Spinprojektio mₛ on ±1/2. Täydellinen nelikko (n,ℓ,mℓ,mₛ) nimeää yhden sallitun yhden elektronin tilan.

ℓ saa arvot 0…n−1

Yhteys toimii hyvänä johdonmukaisuustestinä: tuloksen on sovittava säilymislakeihin, sallittuihin kvanttitiloihin ja oikeaan suuruusluokkaan.

Alakuorella on 2ℓ+1 orbitaalia

Keskimääräinen malli voi kuvata trendin olematta yhden paikallisen suureen suora mittaus. Tämä ero on tärkeä erityisesti monielektronisissa atomeissa.

Radiaalisolmuja on n−ℓ−1

Hyvä selitys erottaa syyn ja korrelaation. Paikka jaksollisessa järjestelmässä näyttää kuvion, mutta orbitaalirakenne ja varjostus selittävät sen mekanismin.

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

Mitä havainnot ja laskut kertovat

Kun kaikki ℓ-arvot summataan, kuorella n on n² orbitaalia. Kahden spinprojektion vuoksi kapasiteetti on 2n² elektronia. n=3 sisältää yhden 3s-, kolme 3p- ja viisi 3d-orbitaalia.

s, p, d ja f vastaavat ℓ=0,1,2,3

Ideaalimallin lisäksi on tiedettävä, mikä kokeessa voi muuttaa havaintoa: viritystilat, ympäristö, ilmaisimen hyötysuhde tai monihiukkasvaikutukset.

Kuorella on n² orbitaalia ja tilaa 2n² elektronille

Vertaa aina läheiseen tapaukseen. Se paljastaa, johtuuko muutos Z:sta, n:stä, parittumisesta, penetraatiosta vai toisesta mekanismista.

Dipolisiirtymässä tavallisesti Δℓ=±1

Tämä seuraa mallista eikä ole irrallinen muistisääntö. Suureet kannattaa kirjoittaa näkyviin ja tarkistaa sekä yksiköt että fysikaalinen raja-arvo.

Rajoitukset ja yhteydet

Solmujen kokonaismäärä on n−1, kulmasolmuja ℓ ja radiaalisolmuja n−ℓ−1. Solmurakenne vaikuttaa penetraatioon ja sidosten päällekkäisyyteen. Spektrien valintasäännöissä esiintyy esimerkiksi tavallinen Δℓ=±1.

mℓ saa arvot −ℓ…+ℓ

Kohta ymmärretään parhaiten, kun symbolinen yhteys yhdistetään siihen elektroni- tai ydinrakenteeseen, joka todella muuttuu. Pelkkä trendi on helppo yleistää väärin.

Solmujen kokonaismäärä on n−1

Laskussa merkki ja vertailutila määritetään ennen lukujen sijoittamista. Näin sama symboli ei saa huomaamatta kahta eri fysikaalista merkitystä.

Ratkaistuja esimerkkejä

Tehtävä 1

Laske n=3-kuoren suurin elektronimäärä.

Ratkaisu

2n²=2·9=18 elektronia.

Tehtävä 2

4d: n=4 ja ℓ=2. Laske kokonais-, kulma- ja radiaalisolmut.

Ratkaisu

Yhteensä 3, kulmasolmuja 2 ja radiaalisolmuja 1.

Tehtävä 3

Onko (n,ℓ,mℓ,mₛ)=(3,3,0,+1/2) sallittu?

Ratkaisu

Ei. Kun n=3, ℓ voi olla vain 0, 1 tai 2.

Pääkvanttiluku n määrää kuoren ja radiaalisen mittakaavan. Arvolle n sivukvanttiluku ℓ voi olla 0…n−1. Merkinnät s, p, d ja f tarkoittavat vain ℓ-arvoja 0,1,2,3. Jokaisella ℓ:llä mℓ saa arvot −ℓ…+ℓ eli orbitaaleja on 2ℓ+1. Spinprojektio mₛ on ±1/2. Täydellinen nelikko (n,ℓ,mℓ,mₛ) nimeää yhden sallitun yhden elektronin tilan. Kun kaikki ℓ-arvot summataan, kuorella n on n² orbitaalia. Kahden spinprojektion vuoksi kapasiteetti on 2n² elektronia. n=3 sisältää yhden 3s-, kolme 3p- ja viisi 3d-orbitaalia. Solmujen kokonaismäärä on n−1, kulmasolmuja ℓ ja radiaalisolmuja n−ℓ−1. Solmurakenne vaikuttaa penetraatioon ja sidosten päällekkäisyyteen. Spektrien valintasäännöissä esiintyy esimerkiksi tavallinen Δℓ=±1.