Mnoho v kvantové mechanice zůstává mimo chápání, mnohé se zdá být fantastické. Totéž platí pro kvantová čísla, jejichž povaha je dodnes záhadná. Článek popisuje koncept, typy a obecné principy práce s nimi.
Obecné vlastnosti
Celá nebo polocelá kvantová čísla pro fyzikální veličiny určují všechny možné diskrétní hodnoty, které charakterizují systémy kvant (molekula, atom, jádro) a elementárních částic. Jejich aplikace úzce souvisí s existencí Planckovy konstanty. Diskrétnost procesů probíhajících v mikrokosmu odráží kvantová čísla a jejich fyzikální význam. Poprvé byly představeny, aby popsaly zákonitosti spekter atomu. Fyzikální význam a diskrétnost jednotlivých veličin však odhalila až kvantová mechanika.
Soubor, který vyčerpávajícím způsobem určuje stav tohoto systému, se nazýval úplný soubor. Všechny stavy odpovědné za možné hodnoty z takové množiny tvoří kompletní systém stavů. Kvantová čísla v chemii se stupni volnosti elektronu jej definují ve třech prostorových souřadnicích a vnitřním stupni volnosti -spin.
Elektronové konfigurace v atomech
V atomu se nachází jádro a elektrony, mezi kterými působí síly elektrostatické povahy. Energie se bude zvyšovat se zmenšující se vzdáleností mezi jádrem a elektronem. Předpokládá se, že potenciální energie bude nulová, pokud bude nekonečně daleko od jádra. Tento stav se používá jako výchozí bod. Tak je určena relativní energie elektronu.
Elektronový obal je soubor energetických hladin. Příslušnost k jednomu z nich je vyjádřena hlavním kvantovým číslem n.
Hlavní číslo
Odkazuje na určitou energetickou hladinu se sadou orbitalů, které mají podobné hodnoty, skládající se z přirozených čísel: n=1, 2, 3, 4, 5… Když se elektron pohybuje z jednoho kroku do druhého, změny hlavních kvantových čísel. Je třeba vzít v úvahu, že ne všechny úrovně jsou naplněny elektrony. Při plnění obalu atomu je realizován princip nejmenší energie. Jeho stav se v tomto případě nazývá nevzrušený nebo základní.
Orbitální čísla
Každá úroveň má orbitaly. Ti z nich s podobnou energií tvoří podúroveň. Takové přiřazení se provádí pomocí orbitálního (nebo, jak se také nazývá, bočního) kvantového čísla l, které nabývá hodnot celých čísel od nuly do n - 1. Takže elektron, který má hlavní a orbitální kvantová čísla n a l se mohou rovnat, počínaje l=0 a konče l=n - 1.
To ukazuje povahu pohybu příslušnéhopodúrovni a energetickou hladinu. Pro l=0 a jakoukoli hodnotu n bude mít elektronový mrak tvar koule. Jeho poloměr bude přímo úměrný n. Při l=1 bude mít elektronový mrak tvar nekonečna nebo osmičky. Čím větší je hodnota l, tím složitější bude tvar a energie elektronu se zvýší.
Magnetická čísla
Ml je projekce orbitálního (bočního) momentu hybnosti do jednoho nebo druhého směru magnetického pole. Ukazuje prostorovou orientaci těch orbitalů, ve kterých je číslo l stejné. Ml může mít různé hodnoty 2l + 1, od -l do +l.
Další magnetické kvantové číslo se nazývá spin - ms, což je vlastní moment hybnosti. Abychom tomu porozuměli, lze si představit rotaci elektronu, jako by to bylo, kolem jeho vlastní osy. Ms může být -1/2, +1/2, 1.
Obecně platí, že pro jakýkoli elektron je absolutní hodnota spinu s=1/2 a ms znamená jeho průmět na osu.
Pauliho princip: atom nemůže obsahovat dva elektrony se 4 podobnými kvantovými čísly. Alespoň jeden z nich musí být vynikající.
Pravidlo pro formulování atomů.
- Princip minimální energie. Podle něj se nejprve zaplní úrovně a podúrovně, které jsou blíže jádru, podle pravidel Klechkovského.
- Pozice prvku ukazuje, jak jsou elektrony distribuovány na energetických úrovních a podúrovních:
- číslo odpovídá náboji atomu a počtu jeho elektronů;
- periodické číslo odpovídá počtu úrovníenergie;
- číslo skupiny je stejné jako počet valenčních elektronů v atomu;
- podskupina zobrazuje jejich distribuci.
Elementární částice a jádra
Kvantová čísla ve fyzice elementárních částic jsou jejich vnitřní charakteristiky, které určují interakce a vzorce transformací. Kromě spinů s je to elektrický náboj Q, který je pro všechny elementární částice roven nule nebo celému číslu, zápornému nebo kladnému; baryonový náboj B (v částici - nula nebo jedna, v antičástici - nula nebo mínus jedna); leptonové náboje, kde Le a Lm se rovnají nule, jedné a v antičástici - nule a mínus jedna; izotopový spin s celým číslem nebo polovičním číslem; podivnost S a další. Všechna tato kvantová čísla platí jak pro elementární částice, tak pro atomová jádra.
V širokém slova smyslu se jim říká fyzikální veličiny, které určují pohyb částice nebo systému a jsou zachovány. Není však vůbec nutné, aby patřily do diskrétního spektra možných hodnot.
