Wiele w mechanice kwantowej pozostaje poza zrozumieniem, wiele wydaje się fantastycznych. To samo dotyczy liczb kwantowych, których natura jest nadal tajemnicza. Artykuł opisuje pojęcie, rodzaje i ogólne zasady pracy z nimi.
Charakterystyka ogólna
Całkowite lub półcałkowite liczby kwantowe dla wielkości fizycznych określają wszystkie możliwe wartości dyskretne, które charakteryzują układy kwantów (cząsteczka, atom, jądro) i cząstki elementarne. Ich zastosowanie jest ściśle związane z istnieniem stałej Plancka. Dyskretność procesów zachodzących w mikrokosmosie odzwierciedla liczby kwantowe i ich fizyczne znaczenie. Zostały one po raz pierwszy wprowadzone w celu opisania regularności widm atomu. Ale fizyczne znaczenie i dyskretność poszczególnych wielkości ujawniła się dopiero w mechanice kwantowej.
Zbiór, który wyczerpująco określa stan tego układu, nazwano zbiorem pełnym. Wszystkie stany odpowiedzialne za ewentualne wartości z takiego zbioru tworzą kompletny system stanów. Liczby kwantowe w chemii o stopniach swobody elektronu definiują go w trzech współrzędnych przestrzennych i wewnętrznym stopniu swobody -spin.
Konfiguracje elektronowe w atomach
W atomie znajduje się jądro i elektrony, pomiędzy którymi działają siły natury elektrostatycznej. Energia będzie wzrastać wraz ze zmniejszaniem się odległości między jądrem a elektronem. Uważa się, że energia potencjalna będzie wynosić zero, jeśli jest nieskończenie daleko od jądra. Ten stan jest używany jako punkt wyjścia. W ten sposób określana jest względna energia elektronu.
Powłoka elektronowa to zestaw poziomów energetycznych. Przynależność do jednego z nich wyraża główna liczba kwantowa n.
Numer główny
Odnosi się do pewnego poziomu energii ze zbiorem orbitali o podobnych wartościach, składających się z liczb naturalnych: n=1, 2, 3, 4, 5… Kiedy elektron przechodzi z jednego kroku do drugiego, główne zmiany liczby kwantowej. Należy wziąć pod uwagę, że nie wszystkie poziomy są wypełnione elektronami. Podczas wypełniania powłoki atomu realizowana jest zasada najmniejszej energii. Jego stan w tym przypadku nazywany jest niewzbudzonym lub podstawowym.
Liczby orbitalne
Każdy poziom ma orbitale. Te z nich o podobnej energii tworzą podpoziom. Takiego przypisania dokonuje się za pomocą orbitalnej (lub, jak to się nazywa, bocznej) liczby kwantowej l, która przyjmuje wartości liczb całkowitych od zera do n - 1. Czyli elektron, który ma główną i orbitalną liczbę kwantową n i l mogą być równe, zaczynając od l=0 i kończąc na l=n - 1.
To pokazuje charakter ruchu odpowiednichpodpoziom i poziom energii. Dla l=0 i dowolnej wartości n chmura elektronów będzie miała kształt kuli. Jego promień będzie wprost proporcjonalny do n. Przy l=1 chmura elektronów przyjmie postać nieskończoności lub ósemki. Im większa wartość l, tym bardziej złożony będzie kształt, a energia elektronu wzrośnie.
Numery magnetyczne
Ml jest rzutem orbitalnego (bocznego) momentu pędu na jeden lub drugi kierunek pola magnetycznego. Pokazuje orientację przestrzenną tych orbitali, w których liczba l jest taka sama. Ml może mieć różne wartości 2l + 1, od -l do +l.
Inną magnetyczną liczbą kwantową jest spin - ms, który jest momentem wewnętrznym pędu. Aby to zrozumieć, można sobie wyobrazić rotację elektronu wokół własnej osi. Ms może wynosić -1/2, +1/2, 1.
Na ogół dla dowolnego elektronu wartość bezwzględna spinu s=1/2, a ms oznacza jego rzut na oś.
Zasada Pauliego: atom nie może zawierać dwóch elektronów o 4 podobnych liczbach kwantowych. Przynajmniej jeden z nich musi być doskonały.
Zasada formułowania atomów.
- Zasada minimalnej energii. Zgodnie z nim najpierw wypełniane są poziomy i podpoziomy bliższe rdzeniowi, zgodnie z zasadami Klechkowskiego.
- Pozycja elementu wskazuje, jak elektrony są rozłożone na poziomach energii i podpoziomach:
- liczba odpowiada ładunkowi atomu i liczbie jego elektronów;
- numer okresowy odpowiada liczbie poziomówenergia;
- liczba grup jest taka sama jak liczba elektronów walencyjnych w atomie;
- subgroup pokazuje ich dystrybucję.
Cząstki i jądra elementarne
Liczby kwantowe w fizyce cząstek elementarnych to ich wewnętrzne cechy, które determinują interakcje i wzory przekształceń. Oprócz spinu s jest to ładunek elektryczny Q, który dla wszystkich cząstek elementarnych jest równy zeru lub liczbie całkowitej, ujemnej lub dodatniej; ładunek barionowy B (w cząstce - zero lub jeden, w antycząstce - zero lub minus jeden); ładunki leptonowe, gdzie Le i Lm są równe zero, jeden, aw antycząstce zero i minus jeden; spin izotopowy z liczbą całkowitą lub połówkową; obcość S i inni. Wszystkie te liczby kwantowe dotyczą zarówno cząstek elementarnych, jak i jąder atomowych.
W szerokim znaczeniu tego słowa nazywane są wielkościami fizycznymi, które określają ruch cząstki lub układu i są zachowawcze. Jednak wcale nie jest konieczne, aby należały do dyskretnego spektrum możliwych wartości.
