Много в квантовата механика остава извън разбирането, много изглежда фантастично. Същото се отнася и за квантовите числа, чиято природа е загадъчна и днес. Статията описва концепцията, видовете и общите принципи на работа с тях.
Общи характеристики
Цели или полуцели квантови числа за физически величини определят всички възможни дискретни стойности, които характеризират системи от кванти (молекула, атом, ядро) и елементарни частици. Тяхното приложение е тясно свързано със съществуването на константата на Планк. Дискретността на процесите, протичащи в микрокосмоса, отразява квантовите числа и тяхното физическо значение. Те са въведени за първи път, за да опишат закономерностите на спектрите на атома. Но физическият смисъл и дискретността на отделните величини бяха разкрити само в квантовата механика.
Множеството, което изчерпателно определя състоянието на тази система, се наричаше пълен набор. Всички състояния, отговорни за възможни стойности от такъв набор, образуват цялостна система от състояния. Квантовите числа в химията със степените на свобода на електрона го определят в три пространствени координати и вътрешна степен на свобода -завъртане.
Електронни конфигурации в атоми
В атома има ядро и електрони, между които действат силите с електростатичен характер. Енергията ще се увеличава с намаляване на разстоянието между ядрото и електрона. Смята се, че потенциалната енергия ще бъде нула, ако е безкрайно далеч от ядрото. Това състояние се използва като отправна точка. Така се определя относителната енергия на електрона.
Електронната обвивка е набор от енергийни нива. Принадлежността към един от тях се изразява с главното квантово число n.
Основен номер
Отнася се за определено енергийно ниво с набор от орбитали, които имат сходни стойности, състоящи се от естествени числа: n=1, 2, 3, 4, 5… Когато електронът се движи от една стъпка към друга, промени в основните квантови числа. Трябва да се има предвид, че не всички нива са запълнени с електрони. При запълване на обвивката на атома се реализира принципът на най-малката енергия. Състоянието му в този случай се нарича невъзбудено или основно.
Орбитални числа
Всяко ниво има орбитали. Тези от тях с подобна енергия образуват подниво. Такова присвояване се извършва с помощта на орбиталното (или, както се нарича още, страничното) квантово число l, което приема стойностите на цели числа от нула до n - 1. Така че електрон, който има главното и орбиталното квантово число n и l могат да бъдат равни, като се започне с l=0 и завършва с l=n - 1.
Това показва естеството на движението на съответнотоподниво и енергийно ниво. За l=0 и всяка стойност на n, електронният облак ще има формата на сфера. Неговият радиус ще бъде право пропорционален на n. При l=1 електронният облак ще приеме формата на безкрайност или фигура осем. Колкото по-голяма е стойността на l, толкова по-сложна ще стане формата и енергията на електрона ще се увеличи.
Магнитни числа
Ml е проекцията на орбиталния (страничния) ъглов импулс върху една или друга посока на магнитното поле. Той показва пространствената ориентация на онези орбитали, в които числото l е същото. Ml може да има различни стойности 2l + 1, от -l до +l.
Друго магнитно квантово число се нарича спин - ms, което е присъщият момент на импулса. За да разберем това, може да си представим въртенето на електрона, така да се каже, около собствената си ос. Ms може да бъде -1/2, +1/2, 1.
Общо взето, за всеки електрон, абсолютната стойност на спина s=1/2, а ms означава неговата проекция върху оста.
Принципът на Паули: един атом не може да съдържа два електрона с 4 подобни квантови числа. Поне един от тях трябва да е отличен.
Правилото за формулиране на атоми.
- Принцип на минимална енергия. Според него първо се запълват нивата и поднивата, които са по-близо до ядрото, според правилата на Клечковски.
- Позицията на елемента показва как се разпределят електроните по енергийни нива и поднива:
- числото съответства на заряда на атома и броя на неговите електрони;
- периодично число съответства на броя на ниватаенергия;
- номерът на групата е същият като броя на валентните електрони в атома;
- подгрупа показва тяхното разпределение.
Елементарни частици и ядра
Квантовите числа във физиката на елементарните частици са техните вътрешни характеристики, които определят взаимодействията и моделите на трансформации. В допълнение към спина s, това е електрическият заряд Q, който за всички елементарни частици е равен на нула или цяло число, отрицателен или положителен; барионен заряд B (в частица - нула или едно, в античастица - нула или минус едно); лептонни заряди, където Le и Lm са равни на нула, единица, а в античастицата - нула и минус едно; изотопен спин с цяло или полуцяло число; странност S и др. Всички тези квантови числа се отнасят както за елементарните частици, така и за атомните ядра.
В широкия смисъл на думата те се наричат физически величини, които определят движението на частица или система и се запазват. Въпреки това, изобщо не е необходимо те да принадлежат към дискретен спектър от възможни стойности.
