Veľa v kvantovej mechanike zostáva nepochopiteľné, veľa sa zdá byť fantastické. To isté platí pre kvantové čísla, ktorých povaha je dodnes záhadná. Článok popisuje koncept, typy a všeobecné princípy práce s nimi.
Všeobecné charakteristiky
Celé alebo polovičné celé kvantové čísla pre fyzikálne veličiny určujú všetky možné diskrétne hodnoty, ktoré charakterizujú systémy kvánt (molekula, atóm, jadro) a elementárnych častíc. Ich aplikácia úzko súvisí s existenciou Planckovej konštanty. Diskrétnosť procesov prebiehajúcich v mikrokozme odráža kvantové čísla a ich fyzikálny význam. Prvýkrát boli predstavené s cieľom opísať zákonitosti spektier atómu. Fyzikálny význam a diskrétnosť jednotlivých veličín však odhalila až kvantová mechanika.
Súbor, ktorý vyčerpávajúcim spôsobom určuje stav tohto systému, sa nazýval úplný súbor. Všetky stavy zodpovedné za možné hodnoty z takejto množiny tvoria úplný systém stavov. Kvantové čísla v chémii so stupňami voľnosti elektrónu ho definujú v troch priestorových súradniciach a vnútornom stupni voľnosti -spin.
Elektrónové konfigurácie v atómoch
V atóme sa nachádza jadro a elektróny, medzi ktorými pôsobia sily elektrostatického charakteru. Energia sa bude zvyšovať so zmenšovaním vzdialenosti medzi jadrom a elektrónom. Predpokladá sa, že potenciálna energia bude nulová, ak bude nekonečne ďaleko od jadra. Tento stav sa používa ako východiskový bod. Takto je určená relatívna energia elektrónu.
Elektrónový obal je súbor energetických úrovní. Príslušnosť k jednému z nich je vyjadrená hlavným kvantovým číslom n.
Hlavné číslo
Týka sa určitej energetickej hladiny so sadou orbitálov, ktoré majú podobné hodnoty, pozostávajúce z prirodzených čísel: n=1, 2, 3, 4, 5… Keď sa elektrón pohybuje z jedného kroku na druhý, zmeny hlavného kvantového čísla. Je potrebné vziať do úvahy, že nie všetky úrovne sú naplnené elektrónmi. Pri plnení obalu atómu sa realizuje princíp najmenšej energie. Jeho stav sa v tomto prípade nazýva nevzrušený alebo základný.
Orbitálne čísla
Každá úroveň má orbitály. Tí z nich s podobnou energiou tvoria podúroveň. Takéto priradenie sa vykonáva pomocou orbitálneho (alebo, ako sa tiež nazýva, bočného) kvantového čísla l, ktoré nadobúda hodnoty celých čísel od nuly po n - 1. Takže elektrón, ktorý má hlavné a orbitálne kvantové číslo n a l sa môžu rovnať, začínajúc l=0 a končiac l=n - 1.
Toto ukazuje povahu pohybu príslušnéhopodúroveň a energetická úroveň. Pre l=0 a akúkoľvek hodnotu n bude mať elektrónový oblak tvar gule. Jeho polomer bude priamo úmerný n. Pri l=1 bude mať elektrónový oblak tvar nekonečna alebo osmičky. Čím väčšia je hodnota l, tým zložitejší bude tvar a energia elektrónu sa zvýši.
Magnetické čísla
Ml je projekcia orbitálneho (bočného) momentu hybnosti do jedného alebo druhého smeru magnetického poľa. Ukazuje priestorovú orientáciu tých orbitálov, v ktorých je číslo l rovnaké. Ml môže mať rôzne hodnoty 2l + 1, od -l do +l.
Ďalšie magnetické kvantové číslo sa nazýva spin - ms, čo je vlastný moment hybnosti. Aby sme tomu porozumeli, môžeme si predstaviť rotáciu elektrónu okolo svojej vlastnej osi. Ms môže byť -1/2, +1/2, 1.
Vo všeobecnosti platí, že pre akýkoľvek elektrón je absolútna hodnota spinu s=1/2 a ms znamená jeho priemet na os.
Pauliho princíp: atóm nemôže obsahovať dva elektróny so 4 podobnými kvantovými číslami. Aspoň jeden z nich musí byť vynikajúci.
Pravidlo pre formulovanie atómov.
- Princíp minimálnej energie. Podľa nej sa najskôr naplnia úrovne a podúrovne, ktoré sú bližšie k jadru, podľa pravidiel Klechkovského.
- Pozícia prvku ukazuje, ako sú elektróny rozložené na energetických úrovniach a podúrovniach:
- číslo zodpovedá náboju atómu a počtu jeho elektrónov;
- periodické číslo zodpovedá počtu úrovníenergia;
- číslo skupiny je rovnaké ako počet valenčných elektrónov v atóme;
- podskupina zobrazuje ich distribúciu.
Elementárne častice a jadrá
Kvantové čísla vo fyzike elementárnych častíc sú ich vnútornými charakteristikami, ktoré určujú interakcie a vzorce transformácií. Okrem spinu s je to elektrický náboj Q, ktorý sa pre všetky elementárne častice rovná nule alebo celému číslu, zápornému alebo kladnému; baryónový náboj B (v častici - nula alebo jedna, v antičastici - nula alebo mínus jedna); leptónové náboje, kde Le a Lm sa rovnajú nule, jednej a v antičastici - nule a mínus jedna; izotopový spin s celým číslom alebo polovičným číslom; podivnosť S a iné. Všetky tieto kvantové čísla platia pre elementárne častice aj pre atómové jadrá.
V širšom zmysle slova sa nazývajú fyzikálne veličiny, ktoré určujú pohyb častice alebo systému a sú zachované. Nie je však vôbec potrebné, aby patrili do diskrétneho spektra možných hodnôt.
