32. Квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное, спиновое.

Главное квантовое число n.

Энергия электрона величина квантовая. Возможные энергетические состояния электрона определяются величиной главного квантового числа n, которое может принимать положительные целочисленные значения: 1, 2, 3 … и т.д. Наименьшей энергией электрон обладает при n = 1; с увеличением n энергия электрона возрастает. Поэтому состояние электрона, характеризующееся определенным значением главного квантового числа, принято называть энергетическим уровнем электрона в атоме: при n = 1 электрон находится на первом энергетическом уровне, при n = 2 – на втором и т.д.

Главное квантовое число определяет и размеры электронного облака. Для того чтобы увеличить размеры электронного облака, нужно часть его удалить на большее расстояние от ядра. Этому препятствуют силы электростатического притяжения электрона к ядру, преодоление которых требует затраты энергия. Поэтому большим размером электронного облака соответствует более высокая энергия электрона в атоме и, следовательно, большее значение главного квантового числа n. Электроны же, характеризующиеся одним и тем же значением главного квантового числа, образуют в атоме электронные облака приблизительно одинаковых размеров; поэтому можно говорить о существовании в атоме электронных слоев или электронных оболочек, отвечающих определенным значениям главного квантового числа.

Для энергетических уровней электрона в атоме (т.е. для электронных слоев, или оболочек), соответствующих различным значениям n, приняты следующие буквенные значения:

Главное квантовое число n	1	2	3	4	5	6	7
Обозначение энергетического уровня	K	L	M	N	O	P	Q

Орбитальное квантовое число l.

Форма электронных облаков определяется орбитальным квантовым числом l, которое может принимать целочисленные значения от 0 до (n−1), где n – главное квантовое число. Различным значениям n отвечает разное число возможных значений l. Так, при n = 1 возможно только одно значение орбитального квантового числа – ноль (l = 0), при n = 2 l может быть равным 0 или 1, при n = 3 возможны значения l, равные 0, 1 и 2, данному значению главного квантового числа n соответствуют n различных возможных значений орбитального квантового числа.

Энергия электрона в атоме зависит от главного квантового числа. В атоме водорода энергия электрона полностью определяется значением n. Однако, в многоэлектронных атомах энергия электрона зависит и от значения орбитального квантового числа. Поэтому состояния электрона, характеризующиеся различными значениями l, принято называть энергетическими подуровнями электрона в атоме. Этим подуровням присвоены следующие буквенные значения:

Орбитальное главное число	1	2	3	4
Обозначение энергетического подуровня	s	p	d	f

В соответствии с этими обозначениями говорят об s-подуровне, p-подуровне и т.д. Электроны, характеризующиеся значениями побочного квантового числа 0, 1, 2 и 3, называют соответственно s-электронами, p-электронами, d-электронами и f-электронами. При данном значении главного квантового числа наименьшей энергией обладают s-электроны, затем p-, d- и f-электроны.

Состояние электрона в атоме, отвечающее определенным значениям n и l, записывается следующим образом: сначала цифрой указывается значение главного квантового числа, а затем буквой – орбитального квантового числа. Так, обозначение 2p относится к электрону, у которого n = 2 и l = 1, обозначение 3d – к электрону, у которого n = 3 и l = 2.

Магнитное квантовое число m.

И з уравнения Шредингера следует, что ориентация электронного облака в пространстве не может быть произвольной: она определяется значением третьего, так называемого магнитного квантового числа m.

Магнитное квантовое число может принимать любые целочисленные значения – как положительные, так и отрицательные – в пределах от +l до −l. Таким образом, для разных значений l число возможных значений m различно. Так, для s-электронов (l = 0) возможно только одно значение m (m = 0); для p-электронов (l = 1) возможны три различных значения m (−1, 0, +1); при l = 2 (d-электроны) m может принимать пять различных значений (−2, −1, 0, +1, +2). Вообще, некоторому значению l соответствует (2l + 1) возможных значений магнитного квантового числа, т.е. (2l + 1) возможных расположений электронного облака в пространстве.

Состояние электрона в атоме, характеризующиеся определенными значениями квантовых чисел n, l и m, т.е. определенными размерами, формой и ориентацией в пространстве электронного облака, получило название атомной электронной орбитали.

Спиновое квантовое число s.

Электрон характеризуется еще одной квантованной величиной, не связанной с движением электрона вокруг ядра, а определяющей его собственное состояние. Эта величина получила название спинового квантового числа или просто спина (spin – кручение, вращение). Спин электрона может иметь только два значения: + ½ или −½; таким образом, как и в случае остальных квантовых чисел, возможные значения спинового квантового числа различаются на единицу.