Διάφοροι Κβαντικοί Αριθμοί

Οι κβαντικοί αριθμοί είναι μια συλλογή αριθμών που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη θέση και την ενέργεια ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο. Υπάρχουν τέσσερις τύποι κβαντικών αριθμών:οι κύριοι, αζιμουθικοί, μαγνητικοί και σπιν κβαντικοί αριθμοί.

Χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των τιμών των διατηρημένων μεγεθών σε ένα κβαντικό σύστημα. Οι ηλεκτρονικοί κβαντικοί αριθμοί (οι κβαντικοί αριθμοί που περιγράφουν τα ηλεκτρόνια) μπορούν να οριστούν ως μια συλλογή αριθμητικών τιμών που παρέχουν λύσεις στην κυματική εξίσωση Schrodinger για άτομα υδρογόνου που είναι αποδεκτά από την εξίσωση.

Αυτοί οι τέσσερις κβαντικοί αριθμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν πλήρως όλα τα χαρακτηριστικά ενός δεδομένου ηλεκτρονίου που ανήκει σε ένα άτομο. οι αριθμοί είναι οι εξής:

• Ο κύριος κβαντικός αριθμός συμβολίζεται με το γράμμα "n".
• Ο κβαντικός αριθμός της τροχιακής γωνιακής ορμής (γνωστός και ως αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός) συμβολίζεται με το γράμμα "l".
• Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός συμβολίζεται με το σύμβολο "ml"
• Ο κβαντικός αριθμός σπιν ηλεκτρονίων αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο "ms".
• Οι ηλεκτρονικοί κβαντικοί αριθμοί είναι ένας τύπος κβαντικού αριθμού που μπορεί να δημιουργηθεί ηλεκτρονικά.
• οι τέσσερις κβαντικοί αριθμοί που περιγράφουν τη συμπεριφορά ενός σωματιδίου

Όταν πρόκειται για την περιγραφή των χαρακτηριστικών ενός ηλεκτρονίου σύμφωνα με την κυματική εξίσωση Schrodinger, χρησιμοποιούνται συνολικά τέσσερις κβαντικοί αριθμοί. Καθένας από τους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς που περιγράφουν τη μοναδική κβαντική κατάσταση ενός ηλεκτρονίου στην ατομική φυσική περιγράφεται εν συντομία στην επόμενη ενότητα, η οποία περιλαμβάνει μια σύντομη περιγραφή κάθε αριθμού.

Κύριος κβαντικός αριθμός

• Ο Κύριος Κβαντικός Αριθμός είναι ένας αριθμός που αντιπροσωπεύει τη θεμελιώδη φύση του σύμπαντος. Το σύμβολο «n» χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει τους κύριους κβαντικούς αριθμούς. Χρησιμοποιούνται για να υποδηλώσουν το πρωτεύον κέλυφος ή κελύφη ηλεκτρονίων του ατόμου.
• Επειδή ο κύριος κβαντικός αριθμός περιγράφει την πιο πιθανή απόσταση μεταξύ του πυρήνα και των ηλεκτρονίων, μια μεγαλύτερη τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού συνεπάγεται μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ του ηλεκτρονίου και του πυρήνα και το αντίστροφο (που με τη σειρά του συνεπάγεται μεγαλύτερο ατομικό μέγεθος).
• Ακέραιοι με θετικές τιμές ίσες ή μεγαλύτερες από ένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού, αρκεί να διαιρούνται με το ένα. Εάν ο αριθμός n=1 χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει το εσωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων ενός ατόμου, αντιστοιχεί στη χαμηλότερη δυνατή ενεργειακή κατάσταση (γνωστή και ως θεμελιώδης κατάσταση) ενός ηλεκτρονίου.
• Συνεπώς, μπορεί να φανεί ότι ο κύριος κβαντικός αριθμός, n, δεν μπορεί να έχει αρνητική τιμή ή ίση με μηδέν, επειδή ένα άτομο δεν μπορεί να έχει αρνητική τιμή ή καμία τιμή για τον κύριο φλοιό του, όπως φαίνεται στο παραπάνω παράδειγμα .
• Παρατηρήστε ότι όταν ένα δεδομένο ηλεκτρόνιο εγχυθεί με ενέργεια (σε διεγερμένη κατάσταση), το ηλεκτρόνιο μεταπηδά από ένα κύριο φλοιό σε ένα ανώτερο κέλυφος, αυξάνοντας έτσι την τιμή του n. Με παρόμοιο τρόπο, όταν τα ηλεκτρόνια χάνουν ενέργεια, ξαναπηδούν σε χαμηλότερα κελύφη, μειώνοντας την τιμή του n στη διαδικασία.
• Ο όρος «απορρόφηση» αναφέρεται στην αύξηση της τιμής του n για ένα ηλεκτρόνιο, με έμφαση στα φωτόνια της ενέργειας που απορροφώνται από το ηλεκτρόνιο. Παρόμοια με αυτό, όταν η τιμή του n για ένα ηλεκτρόνιο μειώνεται, τα ηλεκτρόνια εκπέμπουν την αποθηκευμένη τους ενέργεια. αυτό αναφέρεται ως εκπομπή.

Αζιμουθιακός Κβαντικός Αριθμός (Κβαντικός Αριθμός Τροχιακής Γωνιακής Ορμής)

• Αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός είναι ένας κβαντικός αριθμός που είναι προσανατολισμένος στην αζιμουθιακή κατεύθυνση (Κβαντικός Αριθμός Τροχιακής Γωνιακής Ορμής)
• Ο αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός (ή η τροχιακή γωνιακή ορμή) περιγράφει το σχήμα ενός τροχιακού ως προς τη γωνιακή του ορμή. Αντιπροσωπεύεται από το γράμμα «l» και η αριθμητική του τιμή είναι ίση με τον συνολικό αριθμό των γωνιακών κόμβων στο τροχιακό επίπεδο.
• Μια τιμή του αζιμουθιακού κβαντικού αριθμού μπορεί να υποδεικνύει είτε ένα υποκέλυφος s, p, d ή f, καθένα από τα οποία έχει διαφορετικό σχήμα από τα άλλα. Σε αυτήν την περίπτωση, η τιμή του αζιμουθιακού κβαντικού αριθμού καθορίζεται από την τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού, δηλαδή, η τιμή του αζιμουθιακού κβαντικού αριθμού κυμαίνεται μεταξύ 0 και 1. (n-1).
• Ο αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός, για παράδειγμα, μπορεί να λάβει τις τιμές 0, 1 και 2 εάν ο αριθμός n είναι ίσος με τρία. Όταν l=0, το υποκέλυφος που προκύπτει είναι το υποκέλυφος «s», το οποίο είναι το προεπιλεγμένο. Ομοίως, όταν l=1 και l=2, τα υποκελύφη που προκύπτουν συμβολίζονται με τα γράμματα «p» και «d» (αντίστοιχα). Ως αποτέλεσμα, αν n=3, τα τρία πιθανά υποκελύφη είναι 3s, 3p και 3d, αντίστοιχα.
• Ένα άλλο παράδειγμα είναι όπου η τιμή του n είναι 5 και οι πιθανές τιμές του l είναι 0, 1, 2, 3 και 4. Σε αυτήν την περίπτωση, οι πιθανές τιμές του l είναι 0, 1, 2, 3, και 4. Αν l =3, τότε υπάρχουν συνολικά τρεις γωνιακοί κόμβοι στο άτομο, κάτι που ισχύει για τα περισσότερα άτομα.

Κβαντικοί αριθμοί που προέρχονται από τους Κύριους και Αζιμουθιακούς Κβαντικούς Αριθμούς

Είναι λογικό να συμπεράνουμε ότι το τροχιακό «2d» δεν μπορεί να υπάρχει επειδή η τιμή του «l» είναι πάντα μικρότερη από την τιμή του «n», όπως φαίνεται στο διάγραμμα.

Μαγνητικός κβαντικός αριθμός

• Ο Μαγνητικός Κβαντικός Αριθμός είναι ένας αριθμός που έχει μαγνητικό πεδίο γύρω του.
• Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός καθορίζει τον συνολικό αριθμό των τροχιακών σε ένα υποκέλυφος καθώς και τον προσανατολισμό των τροχιακών στο υποκέλυφος, μεταξύ άλλων. Ένα μέτρο του συμβολίζεται με το σύμβολο ml. Σε αυτήν την περίπτωση, η γωνιακή ορμή του τροχιακού προβάλλεται κατά μήκος μιας δεδομένης κατεύθυνσης και αυτός ο αριθμός αντιπροσωπεύει το αποτέλεσμα αυτής της προβολής.
• Η τιμή του μαγνητικού κβαντικού αριθμού εξαρτάται από την τιμή του αζιμουθιακού (ή της τροχιακής γωνιακής ορμής) κβαντικού αριθμού, ο οποίος με τη σειρά του εξαρτάται από την τιμή του μαγνητικού κβαντικού αριθμού. Για μια δεδομένη τιμή του l, η τιμή του ml μπορεί να βρεθεί οπουδήποτε στο εύρος -l έως +l κοιτάζοντας το γράφημα. Ως αποτέλεσμα, η τιμή του n έχει έμμεση επίδραση σε αυτήν.

Για παράδειγμα, εάν ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός ενός ατόμου είναι -3, -2, -1, 0, +1, +2 και +3 σε ένα άτομο, οι πιθανές τιμές του μαγνητικού κβαντικού αριθμού είναι -3, -2 , -1, 0, +1, +2 και +3.

• Η τιμή του αζιμουθιακού κβαντικού αριθμού αντιστοιχεί στον αριθμό των τροχιακών (2l + 1).
• Ο συνολικός αριθμός των τροχιακών σε ένα δεδομένο υποκέλυφος είναι συνάρτηση της τιμής "l" που έχει εκχωρηθεί σε κάθε τροχιακό σε αυτό το υποκέλυφος. Μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο (2l + 1). Για παράδειγμα, το υποκέλυφος «3d» (n=3, l=2) περιέχει 5 τροχιακά (2*2 + 1), ενώ το υποκέλυφος «2d» (n=3, l=2) περιέχει 4. Κάθε τροχιακό έχει ικανότητα να συγκρατεί δύο ηλεκτρόνια. Ως αποτέλεσμα, το τρίτο υποκέλυφος έχει συνολική χωρητικότητα δέκα ηλεκτρονίων.
• Ο κβαντικός αριθμός σπιν ηλεκτρονίων είναι ένας αριθμός που περιγράφει το σπιν ενός ηλεκτρονίου. Ο κβαντικός αριθμός σπιν ηλεκτρονίων δεν επηρεάζεται από τις τιμές n, l και ml και επομένως είναι σαφής. Η τιμή αυτού του αριθμού, που συμβολίζεται με το σύμβολο ms, παρέχει πληροφορίες σχετικά με την κατεύθυνση στην οποία περιστρέφεται το ηλεκτρόνιο.
• Είναι δυνατό να προσδιοριστεί η κατεύθυνση στην οποία ένα ηλεκτρόνιο περιστρέφεται κοιτάζοντας την τιμή του ms. Είναι δυνατό να έχουμε έναν κβαντικό αριθμό σπιν ηλεκτρονίων που είναι μεταξύ +1/2 και -1/2.
• Η θετική τιμή του ms υποδηλώνει ότι το ηλεκτρόνιο έχει ένα σπιν προς τα πάνω, το οποίο αναφέρεται επίσης ως 'spin up' και συμβολίζεται με το σύμβολο 'spin up'. Εάν το ms είναι αρνητικό, το εν λόγω ηλεκτρόνιο λέγεται ότι έχει ένα σπιν προς τα κάτω, γνωστό και ως «σπιν προς τα κάτω»,  το οποίο αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο.
• Η τιμή του κβαντικού αριθμού σπιν ηλεκτρονίων καθορίζει εάν το εν λόγω άτομο έχει ή όχι την ικανότητα να δημιουργήσει μαγνητικό πεδίο στο περιβάλλον του. Η τιμή του ms μπορεί να προσεγγιστεί με τον αριθμό +1/2 ή -1/2.

Συμπέρασμα 

Οι κβαντικοί αριθμοί είναι σημαντικοί επειδή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να υπολογίσουν τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων ενός ατόμου και πού είναι πιο πιθανό να βρεθούν τα ηλεκτρόνια του. Άλλες ιδιότητες των ατόμων, όπως η ενέργεια ιονισμού και η ατομική ακτίνα, γίνονται επίσης κατανοητές χρησιμοποιώντας κβαντικούς αριθμούς.