Квантовые числа и их характеристика. Квантовые числа электронов

Многое в квантовой механике остается за гранью понимания, многое кажется фантастичным. То же относится и к квантовым числам, природа которых загадочна и сегодня. В статье рассказывается о понятии, видах и общих принципах работы с ними.

Общая характеристика

Целые или полуцелые квантовые числа у физических величин определяют всевозможные дискретные значения, характеризующие системы квантов (молекулу, атом, ядро) и элементарные частицы. Их применение тесным образом связано с существованием постоянной Планка. Дискретность, протекающих в микромире процессов, отражают квантовые числа и их физический смысл. Впервые их ввели для того, чтобы описать закономерности спектров атома. Но физический смысл и дискретность отдельных величин были раскрыты только в квантовой механике.
Набор, который определяет исчерпывающе состояние этой системы, получил название полного. Все состояния, отвечающие за возможные значения из такого набора, образуют полную систему состояний. Квантовые числа в химии со степенями свободы электрона определяют его в трех пространственных координатах и внутренней степенью свободы — спином.

Конфигурации электронов а атомах

В атоме располагаются ядро и электроны, между которыми действуют силы электростатической природы. Энергия будет увеличиваться по мере того, как уменьшается расстояние между ядром и электроном. Считается, что будет равна нулю в случае, если он удален от ядра бесконечно. Такое состояние используется как начало отсчета. Таким образом определяется относительная энергия электрона.

Электронная оболочка, является набором Принадлежность к одному из них выражается главным квантовым числом n.

Главное число

Оно относится к определенному уровню энергии с набором орбиталей, у которых схожие значения, состоящие из n= 1, 2, 3, 4, 5… Когда электрон переходит с одной на другую ступень, изменяется Следует учитывать, что не все уровни наполнены электронами. При заполнении оболочки атома, реализуется принцип наименьшей энергии. Его состояние в этом случае называют невозбужденным или основным.

Орбитальные числа

В каждом уровне имеются орбитали. Те из них, у которых сходная энергия, образуют подуровень. Такое отнесение производится с помощью орбитального (или как его еще называют - побочного) квантового числа l, которое принимает значения целых чисел от нуля и до n - 1. Так электрон, имеющий главное и орбитальное квантовые числа n и l, может равняться, начиная l = 0 и заканчивая l = n - 1.

Это показывает характер движения соответствующих подуровня и уровня энергии. При l = 0 и любом значении n, электронное облако будет иметь форму сферы. Ее радиус будет прямо пропорционален n. При l = 1 электронное облако примет форму бесконечности или восьмерки. Чем больше значение l, тем форма будет становиться сложнее, а энергия электрона — возрастать.

Магнитные числа

Ml является проекцией орбитального (побочного) на то или иное направление магнитного поля. Оно показывает пространственную ориентацию тех орбиталей, у которых число l одинаковое. Ml может иметь различные значения 2l + 1, от -l до +l.
Другое магнитное квантовое число называется спином — ms, который является собственным моментом числа движения. Чтобы понять это, можно вообразить вращение электрона как бы вокруг собственной оси. Ms может равняться -1/2, +1/2, 1.
Вообще для любого электрона абсолютное значение спина s = 1/2, а ms означает его проекцию на ось.

1. Принцип минимальной энергии. По нему сначала заполняются уровни и подуровни, которые расположены ближе к ядру, по правилам Клечковского.
2. Положение элемента указывает на то, как распределены электроны по энергетическим уровням и подуровням:

• номер совпадает с зарядом атома и количеством его электронов;
• периодический номер соответствует числу уровней энергии;
• групповой номер совпадает с количеством в атоме;
• подгруппа показывает их распределение.

Элементарные частицы и ядра

Квантовые числа в физике являются их внутренними характеристиками, которые определяют взаимодействия и закономерности превращений. Кроме спина s, это электрический заряд Q, который у всех элементарных частиц равен нулю или целому числу, отрицательному или положительному; барионный заряд В (в частице — ноль или единица, в античастице — ноль или минус один); лептонные заряды, где Le и Lm равны нулю, единице, а в античастице — нулю и минус единице; изотопический спин с целым или полуцелым числом; странность S и другие. Все эти квантовые числа применяются как к элементарным частицам, так и к атомным ядрам.
В широком смысле слова их называют физическими величинами, которые определяют движение частицы или системы и которые сохраняются. Однако совсем необязательно, что они принадлежат дискретному спектру всевозможных значений.

Орбитальное квантовое число l характеризует форму орбиталей и принимает значения от 0 до n – 1. Кроме числовых l имеет буквенные обозначения

Электроны с одинаковым значением l образуют подуровень.

Квантовое число l определяет квантование орбитального момента количества движения электрона в сферически симметричном кулоновском поле ядра.

Квантовое число m l называют магнитным . Оно определяет пространственное расположение атомной орбитали и принимает целые значения от –l до +l через нуль, то есть 2l + 1 значений. Расположение орбитали характеризуется значением проекции вектора орбитального момента количества движения M z на какую-либо ось координат (обычно ось z ):

Все вышесказанное можно представить таблицей:

Орбитали одного подуровня (l = const) имеют одинаковую энергию. Такое состояние называют вырожденным по энергии . Так p -орбиталь – трехкратно, d – пятикратно, а f – семикратно вырождены.

Граничные поверхности s -, p -, d -, f - орбиталей показаны на рис. 2.1.

s -Орбитали сферически симметричны для любого n и отличаются друг от друга только размером сферы. Их максимально симметричная форма обусловлена тем, что при l = 0 и μ l = 0.

p -Орбитали существуют при n ≥ 2 и l = 1, поэтому возможны три варианта ориентации в пространстве: m l = –1, 0, +1. Все p-орбитали обладают узловой плоскостью, делящей орбиталь на две области, поэтому граничные поверхности имеют форму гантелей, ориентированных в пространстве под углом 90° друг относительно друга. Осями симметрии для них являются координатные оси, которые обозначаются p x , p y , p z .

d -Орбитали определяются квантовым числом l = 2 (n ≥ 3), при котором m l = –2, –1, 0, +1, +2, то есть характеризуются пятью вариантами ориентации в пространстве. d -Орбитали, ориентированные лопастями по осям координат, обозначаются d z ² и d x ²–y ², а ориентированные лопастями по биссектрисам координатных углов – d xy , d yz , d xz .

Семь f -орбиталей , соответствующих l = 3 (n ≥ 4), изображаются в виде граничных поверхностей, приведенных на рис. 2.1.

Квантовые числа n , l и m l не полностью характеризуют состояние электрона в атоме. Экспериментально установленно, что электрон имеет еще одно свойство – спин. Упрощенно спин можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси. Спиновое квантовое число m s имеет только два значения m s = ±1/2, представляющие собой две проекции углового момента электрона на выделенную ось. Электроны с разными m s обозначаются стрелками, направленными вверх и вниз .

В многоэлектронных атомах, как и в атоме водорода, состояние электрона определяется значениями тех же четырех квантовых чисел, однако в этом случае электрон находится не только в поле ядра, но и в поле других электронов. Поэтому энергия в многоэлектронных атомах определяется не только главным, но и орбитальным квантовым числом, а вернее их суммой: энергия атомных орбиталей возрастает по мере увеличения суммы n + l ; при одинаковой сумме сначала заполняется уровень с меньшим n и большим l . Энергия атомных орбиталей возрастает согласно ряду

Итак, четыре квантовых числа описывают состояние электрона в атоме и характеризуют энергию электрона, его спин, форму электронного облака и его ориентацию в пространстве. При переходе атома из одного состояния в другое происходит перестройка электронного облака, то есть изменяются значения квантовых чисел, что сопровождается поглощением или испусканием атомом квантов энергии.

Строение электронной оболочки атома.

Дополнительная

Основная

1. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. Биоорганическая химия. М.; Медицина, 1991.

2. « Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии.» Под редакцией Тюкавкиной Н.А., М.; Медицина 1991. 3. Потапов В.М. ,Татаринчик С.Н. Органическая химия.

М. « Химия « 1989.

1. ОвчинниковЮ.А. Биоорганическая химия. М.;

Просвещение, 1987

2. Райлс А., Смит К., Уорд Р. Основы органической химии

(для студентов биологических и медицинских специальностей.)

М.; Мир 1983

3. Морисон Р., Бойд Р. Органическая химия. М. Мир 1974

Основой современной теории строения атома являются законы и положения квантовой механики – раздела физики, изучающего движение микрообъектов (электронов, протонов и других частиц, которые имеют ничтожную массу).

Согласно квантово-механическим представлениям, движущимся микрообъектам присуща двойственная природа: они являются частицами, но имеют волной характер движения, т.е. микрообъекты обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами.

Для описания движения микрочастиц используется вероятностный подход , т.е. определяется не их точное положение, а вероятность нахождения в той или иной области околоядерного пространства.

Состояние (в квантовой механике синоним слова «движение») электрона в атоме описывается с помощью квантово-механической модели - электронного облака. Электронное облако графически отражает вероятность пребывания электрона в каждом участке электронной орбитали. Под электронной орбиталью следует понимать область пространства, где с определенной долей вероятности (около 90-95%) возможно пребывание электрона. Электронная орбиталь каждого электрона в атоме называется атомной орбиталью (АО) , в молекуле – молекулярной орбиталью (МО) . Полное описание состояния электронного облака осуществляется с помощью уравнения Шредингера. Решение этого уравнения, т.е. математическое описание орбитали, возможно лишь при определенных дискретных (прерывных) значениях квантовых чисел

Орбитальное l (l n)

Магнитное квантовое число m ( m l)

Спиновое квантовое число S(m s)

Главное квантовое число (n) определяет основной запас энергии электрона, т.е. степень его удаления от ядра или размер электронного облака (орбитали). Оно принимает любые целочисленные значения, начиная с единицы. Для реально существующих атомов в основном состоянии n = 1÷7.

Состояние электрона, которое характеризуется определенным значением n, называется энергетическим уровнем электрона в атоме. Электроны, имеющие одинаковые значения n, образуют электронные слои (электронные оболочки ), которые можно обозначить и цифрами и буквами.

Значение n…………………………….1 2 3 4 5 6 7

Обозначение электронного слоя …….K L M N O P Q

Наименьшее значение энергии соответствует n = 1, и электроны с n = 1 образуют ближайший к ядру атома электронный слой, они более прочно связаны с ядром.

Орбитальное (побочное или азимутальное) квантовое число l определяет орбитальный момент количества движения электрона и характеризует форму электронного облака. Оно может принимать целочисленные значения от 0 до (п-1). Для реально существующих атомов в основном состоянии l принимает значение 0,1,2 и 3.

Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы. При l =0 атомная орбиталь, независимо от значения главного квантового числа, имеет сферическую форму (S-орбиталь). Значению l=1 соответствует атомная орбиталь, имеющая форму гантели (p- орбиталь). Более сложные формы у d- и f-орбиталей (l =2, l =3).

Каждому n соответствует определенное число значений орбитального квантового числа, т.е. энергетический уровень представляет собой совокупность энергетических подуровней. Число энергетических подуровней каждого электронного слоя равно номеру слоя, т.е. значению главного квантового числа. Так первому энергетическому уровню (n=1) соответствуют один подуровень-s; второму (n=2) – два подуровня s и p; третьему (n=3) – три подуровня s, p, d; четвертому (n=4) – четыре подуровня s, p, d, f.

Таким образом, энергетический подуровень – это состояние электрона в атоме, которое характеризуется определенным набором квантовых чисел n и l. Такое состояние электрона, соответствующее определённым значениям n и l (тип орбитали), записывается в виде сочетания цифрового обозначения n и буквенного l , например 4p (n = 4; l = 1); 5d (n = 5; l = 2).

Таблица 1

Соответствие обозначений орбитального квантового числа и подуровня

Магнитное квантовое число определяет значение проекции орбитального момента количества движения электрона на произвольно выделенную ось, т.е. характеризует пространственную ориентацию электронного облака. Оно принимает все целочисленные значения от –l до +l , в том числе значение 0.

Так, при l =0 m=0. Это значит, что S- орбиталь имеет одинаковую ориентацию относительно трёх осей координат. При l =1 m может принимать три значения: -1; 0; +1. Это значит, что могут быть три р-орбитали с ориентацией по координатным осям x, y, z.

Любому значению l соответствует (2l +1) значений магнитного квантового числа, т.е. (2l + 1) возможных расположений электронного облака данного типа в пространстве. S – состоянию соответствует 2×0 + 1 = 1 одна орбиталь, p- состоянию 2×1 + 1 = 3 три орбитали, d-состоянию 2×2 + 1 = 5 пять орбиталей, f-состоянию 2×3 + 1 = 7 семь орбиталей и т.д.

Состояние электрона в атоме, которое характеризуется определёнными значениями квантовых чисел n, l , m , т.е. определёнными размерами, формой и ориентацией в пространстве электронного облака, называется атомной электронной орбиталью .

Спиновое квантовое число S(m s) характеризует собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг своей оси. Оно имеет только два значения + и – .

Итак, подводя итоги изложенному выше, можно составить блок-схему «Квантовые числа» (таблица 2).

Таблица 2. Блок-схема «Квантовые числа»

Состояние электрона в атоме описывается уравнением Шредингера. Решения уравнения Шредингера для одноэлектронного атома нумеруются тремя целочисленными параметрами, называемыми квантовыми числами, которые описывают всю совокупность сложных движений электрона в атоме. Квантовые числа изменяются дискретно (на единицу). Их всего четыре: главное (n ), орбитальное (l ), магнитное (m l ) и спиновое (m s ). Первые три характеризуют движение электрона в пространстве, а четвертое – вокруг собственной оси.

Главное квантовое число (n) . Определяет энергетический уровень электрона, его удаленность от ядра, размер электронного облака. Принимает целые значения (n = 1, 2, 3 ...) и соответствует номеру периода. Из периодической системы для любого элемента по номеру периода можно определить число энергетических уровней атома и какой энергетический уровень является внешним. Электроны, обладающие близкими значениями энергии, образуют энергетический уровень. Он содержит строго определенное число электронов – максимально 2n 2 . Энергетические уровни подразделяются на s -, p -, d - и f - подуровни; их число равно номеру уровня.

Орбитальное квантовое число (l) характеризует геометрическую форму орбитали. Принимает значение целых чисел от 0 до (n - 1). Независимо от номера энергетического уровня каждому значению орбитального квантового числа соответствует орбиталь особой формы. Набор орбиталей с одинаковыми значениями n называется энергетическим уровнем, c одинаковыми n и

l - подуровнем.

На первом энергетическом уровне (n = 1) орбитальное квантовое число l принимает единственное значение l = (n - 1) = 0. Форма обитали - сферическая; на первом энергетическом только один подуровень - 1s . Для второго энергетического уровня (n = 2) орбитальное квантовое число может принимать два значения: l = 0, s - орбиталь – сфера большего размера, чем на первом энергетическом уровне; l = 1, p - орбиталь – гантель. Таким образом, на втором энергетическом уровне имеются два подуровня – 2s и 2p . Для третьего энергетического уровня (n = 3) орбитальное квантовое число l принимает три значения: l = 0, s - орбиталь – сфера большего размера, чем на втором энергетическом уровне; l = 1, p - орбиталь – гантель большего размера, чем на втором энергетическом уровне; l = 2, d - орбиталь сложной формы.

Таким образом, на третьем энергетическом уровне могут быть три энергетических подуровня – 3s , 3p и 3d .

Магнитное квантовое число (m l ) характеризует положение электронной орбитали в пространстве и принимает целочисленные значения от -l до +l , включая 0. Это означает, что для каждой формы орбитали существует (2l + 1) энергетически равноценных ориентации в пространстве.

Для s - орбитали (l = 0) такое положение одно и соответствует m = 0. Сфера не может иметь разные ориентации в пространстве.

Для p - орбитали (l = 1) – три равноценные ориентации в пространстве

(2l + 1 = 3): m = -1, 0, +1.

Для d- орбитали (l = 2) – пять равноценных ориентаций в пространстве