8.2Физический смысл квантовых чисел

До середины ХIХ века атом считался мельчайшей и неделимой частицей материи. Открытие электрона и радиоактивности доказали сложность строения атома. Электрон  был открыт в 1897 г. английским ученым Дж. Дж. Томсоном; название было дано в 1891 г. англичанином  Дж. Стони. Заряд и масса были определены в 1909 г. Р. Малликеном. Заряд электрона принят в настоящее время за единицу отрицательного электричества. 

                В 1926 г. Э.Шредингер предложил  для описания движения электрона в атоме волновое уравнение, получившее название уравнения Шредингера. Решением уравнения Шредингера является волновая функция ψ, называемая также орбиталью. Волновая функция может иметь как действительные, так и мнимые решения. Поэтому, физический смысл имеет только  |ψ|2 , который характеризует вероятность нахождения электрона в данном  объеме пространства.  Термином орбиталь  обозначают также область пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона. Решение уравнения Шредингера определяется набором  четырех чисел, получивших название квантовых чисел.

                Главное квантовое число n характеризует энергию электронной орбитали. Главное квантовое число принимает значения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7…∞,  обозначаемые  также   буквами K, L, M, N , O, P, Q … Чем больше n, тем выше энергия орбитали. Переходы электронов с одной орбитали на другую сопровождается излучением или поглощением квантов энергии.

Главное квантовое число   характеризует также   удаленность максимума электронной плотности от ядра.  Чем больше n, тем больше объем  орбитали. Совокупность электронов с одинаковым значением n называют энергетическим уровнем или оболочкой, слоем.

Орбитальное (побочное, азимутальное) квантовое число l принимает значения от 0 до (n-1) и характеризует форму граничной поверхности атомной орбитали. Обозначения: 0-s; 1-p; 2-d; 3-f и т.д. Совокупность электронов, имеющих одинаковые значения l и n, называют  энергетическим подуровнем (подоболочкой). Граничная поверхность s-орбиталей имеет форму сферы (рис.4.1,а), р-орбиталей – гантели  (рис.4.1,b-d). Граничные поверхности d-орбиталей показаны на рис.4.1,e-i. Форма граничных поверхностей f-орбиталей сложнее, чем d-орбиталей.

Орбитальное квантовое число характеризует также энергию электронов подуровня в пределах данного энергетического уровня.            

Энергия  подуровней возрастает в ряду s, p, d, f (Es<Ep<Ed<Ef).

Магнитное квантовое число ml характеризует ориентацию орбитали в пространстве и может принимать целочисленные значения от +l до –l, включая  0. d-подуровень содержит пять орбиталей, s-подуровень – одну (рис.4.1,a), p-подуровень – три (рис.4.1,b-d), а f-подуровень – семь орбиталей.

Атомной орбиталью называют также волновую функцию, характеризуемую определенным набором трех квантовых чисел 

Спиновое квантовое число ms характеризует собственное вращение  электрона  вокруг своей оси и может принимать два значения - +1/2 и -1/2.

Состояние электрона в атоме полностью характеризуется с помощью четырех квантовых чисел n, l, ml

 

9 Тема