Квантові числа і їх фізичний зміст
Багато що в квантовій механіці залишається за межею розуміння, багато що здається фантастичним. Те саме можна сказати і до квантовим числам, природа яких загадкова і сьогодні. У статті розповідається про поняття, види і загальні принципи роботи з ними.
Содержание
Загальна характеристика
Цілі або напівцілим квантові числа у фізичних величин визначають всілякі дискретні значення, що характеризують системи квантів (молекулу, атом, ядро) і елементарні частинки. Їх застосування тісно пов`язане з існуванням постійної Планка. Дискретність, що протікають в мікросвіті процесів, відображають квантові числа і їх фізичний зміст. Вперше їх ввели для того, щоб описати закономірності спектрів атома. Але фізичний зміст і дискретність окремих величин були розкриті лише в квантовій механіці.
Набір, який визначає вичерпно стан цієї системи, отримав назву повного. Всі стану, що відповідають за можливі значення з такого набору, утворюють повну систему станів. Квантові числа в хімії зі ступенями свободи електрона визначають його в трьох вимірах і внутрішньої ступенем свободи - спіном.
Конфігурації електронів а атомах
В атомі розташовуються ядро і електрони, між якими діють сили електростатичного природи. Енергія буде збільшуватися в міру того, як зменшується відстань між ядром і електроном. Вважається що потенціальна енергія дорівнюватиме нулю в разі, якщо він віддалений від ядра нескінченно. Такий стан використовується як початок відліку. Таким чином визначається відносна енергія електрона.
Електронна оболонка, є набором енергетичних рівнів. Належність до одного з них виражається головним квантовим числом n.
головне число
Воно належить до певного рівня енергії з набором орбіталей, у яких схожі значення, що складаються з натуральних чисел: n = 1, 2, 3, 4, 5 ... Коли електрон переходить з однієї на іншу ступінь, змінюється головне квантове число. Слід враховувати, що не всі рівні наповнені електронами. При заповненні оболонки атома, реалізується принцип найменшої енергії. Його стан в цьому випадку називають збудженим або основним.
орбітальні числа
У кожному рівні є орбіталі. Ті з них, у яких подібна енергія, утворюють підрівень. Таке віднесення проводиться за допомогою орбітального (або як його ще називають - побічного) квантового числа l, яке приймає значення цілих чисел від нуля і до n - 1. Так електрон, що має головне і орбітальне квантові числа n і l, може дорівнювати, починаючи l = 0 і закінчуючи l = n - 1.
Це показує характер руху відповідних підрівні і рівня енергії. При l = 0 і будь-якому значенні n, електронне хмара матиме форму сфери. Її радіус буде прямо пропорційний n. При l = 1 електронну хмару прийме форму нескінченності або вісімки. Чим більше значення l, тим форма буде ставати складніше, а енергія електрона - зростати.
магнітні числа
Ml є проекцією орбітального (побічного) моменту імпульсу на той чи інший напрямок магнітного поля. Воно показує просторову орієнтацію тих орбіталей, у яких число l однакове. Ml може мати різні значення 2l + 1, від -l до + l.
Інша магнітне квантове число називається спіном - ms, який є власним моментом числа руху. Щоб зрозуміти це, можна уявити обертання електрона як би навколо власної осі. Ms може дорівнювати -1/2, +1/2, 1.
Взагалі для будь-якого електрона абсолютне значення спина s = 1/2, а ms означає його проекцію на вісь.
Принцип Паулі: в атомі не може перебувати двох електронів з 4-ма аналогічними квантовими числами. Хоча б одне з них повинно бути відмінним.
Правило складання формул атомів.
- Принцип мінімальної енергії. По ньому спочатку заповнюються рівні і підрівні, які розташовані ближче до ядра, за правилами Клечковского.
- Положення елемента вказує на те, як розподілені електрони по енергетичним рівням і подуровням:
- номер збігається з зарядом атома і кількістю його електронів;
- періодичний номер відповідає числу рівнів енергії;
- груповий номер збігається з кількістю валентних електронів в атомі;
- підгрупа показує їх розподіл.
Елементарні частинки і ядра
Квантові числа у фізиці елементарних частинок є їх внутрішніми характеристиками, які визначають взаємодії і закономірності перетворень. Крім спина s, це електричний заряд Q, який у всіх елементарних частинок дорівнює нулю або цілому числу, негативного або положітельному- баріонів заряд В (в частці - нуль або одиниця, в античастинок - нуль або мінус один) - лептонні заряди, де Le і Lm дорівнюють нулю, одиниці, а в античастинок - нулю і мінус едініце- ізотопічний спин з цілим або напівцілим чіслом- дивина S і інші. Всі ці квантові числа застосовуються як до елементарних частинок, так і до атомним ядрам.
У широкому сенсі слова їх називають фізичними величинами, які визначають рух частинки або системи і які зберігаються. Однак зовсім необов`язково, що вони належать дискретного спектру всіляких значень.
