Квантові числа

Квантові числа — індекси, якими позначають дозволені одноелектронні стани в атом. n, ℓ і mℓ описують орбітальний стан, а mₛ — електрон проекції спіну. Це не координати класичної орбіта, а квантові мітки із суворими дозволені діапазони.

nℓmℓmₛКвантові числаn · ℓ · mℓ · mₛ
Головне n. n=1,2,3,… задає основна оболонка і сильно пов’язане з орбітальний розмір та енергетична шкала.

Головне n

n=1,2,3,… задає основна оболонка і сильно пов’язане з орбітальний розмір та енергетична шкала.

У водень проста модель має енергії лише від n; у багатоелектронні атоми важливе й ℓ через екранування та проникнення.

Азимутальне ℓ

Для кожного n: ℓ=0,…,n−1. Значення 0,1,2,3 відповідають s,p,d,f підоболонки.

ℓ пов’язане з орбітальний момент імпульсу і числом кутові вузли.

Результат

Результат:

Магнітне mℓ

mℓ набуває integer values від −ℓ до +ℓ, усього 2ℓ+1 orbitals.

Для p є три, для d п’ять, для f сім значень mℓ.

nℓmℓmₛКвантові числа2(2ℓ+1) electrons
Азимутальне ℓ. Для кожного n: ℓ=0,…,n−1. Значення 0,1,2,3 відповідають s,p,d,f subshells.

Spin mₛ

Для electron mₛ=+1/2 або −1/2. Spin — intrinsic quantum angular momentum, а не буквальне обертання маленької кулі.

В одному orbital можуть бути два electrons з opposite spin projections.

Allowed combinations

За n=2 ℓ може бути лише 0 або 1, тому 2d impossible. За ℓ=1 значення mℓ=+2 теж impossible.

Перевірка nested ranges швидко знаходить неправильні quantum-number sets.

Capacity і Pauli

Subshell capacity=2(2ℓ+1): s=2,p=6,d=10,f=14.

Два electrons одного atom не можуть мати однаковий повний набір n,ℓ,mℓ,mₛ.

Spectra і Zeeman

Electric-dipole selection rules зазвичай містять Δℓ=±1. Magnetic field може split states із різними mℓ або mₛ.

Quantum numbers тому прямо пов’язані зі spectra, magnetism і periodic-table blocks.

Nodes

Для hydrogenic orbital total nodes n−1, angular nodes ℓ, radial nodes n−ℓ−1.

Nodes впливають на penetration і overlap та через це на chemical bonding.

Від labels до observations

Quantum numbers визначають degeneracy, angular momentum, nodes і selection rules, а не лише спосіб записати orbital. Тому вони мають прямі spectroscopic і magnetic consequences.

У external magnetic field states з різними m_l і m_s можуть мати різні energies; Zeeman splitting робить ці labels експериментально видимими.

Розібраний приклад

4p

n=4,ℓ=1.

Розв’язання

mℓ=−1,0,+1.

Impossible

n=3,ℓ=3.

Розв’язання

Ні; ℓ≤2.

4f

Capacity?

Розв’язання

14 electrons.