Състояния на електроните в атома, квантови числа

Точно решение на уравнението на Шрьодингер е намерено само за най-простия атом на водорода, който се състои само от две частици - един протон, представляващ положително зареденото атомно ядро, и един електрон. За по-сложните атоми на другите химични елементи са разработени методи за приблизително решаване на уравнението на Шрьодингер. Всички намерени, точни или приблизителни решения показват едни и същи закономерности, които ще разгледаме тук.

Вълновата функция, която е решение на уравнението на Шрьодингер, определя с каква вероятност електрона се намира в различните точки на пространството около ядрото. Един нагледен и до голяма степен, отговарящ на положенията на квантовата механика начин да си представим електрона около ядрото е да го разглеждаме не като, движеща се по определена траектория частица, а като разпределен в пространството електронен облак. Вълновата функция показва именно каква е формата, големината и ориентацията в пространството на този електронен облак. Плътността на електронния облак е по-голяма в точките, където е по-голяма вероятността да се намира електрона. Частта от пространството, в която е най-голяма вероятността да се намира електрона се нарича орбитала. С други думи орбиталата е основната част от електронния облак.

Възможните решения на уравнението на Шрьодингер се идентифицират с един набор от четири цели числа, които се наричат квантови числа.

Първото квантово число, което се отбелязва с n   се нарича главно квантово число. То може да има произволни, по-големи от нула стойности: 1, 2, 3, ... Главното квантово число определя стойността на енергията, която има атома. При водородния атом тази енергия е обратно пропорционална на квадрата на главното квантово число. Позволените стойности на енергията E n , съответстващи на различните стойности n  на главното квантово число се наричат енергетични нива на атома. Енергетичното ниво с най-малка енергия, което съответства на n=1 се нарича основно ниво. В атомите на химичните елементи след водорода, които имат повече от един електрон, електроните с еднаква стойност на главното квантово число се казва, че образуват един електронен слой.

Второто квантово число, което означаваме с l  се нарича орбитално квантово число. Възможните стойности на орбиталното квантово число са ограничени от стойността на главното квантово число n  и те са: 0, 1, 2, ..., (n-1). Т.е. на главно квантово число n=1 съответства само една стойност на орбиталното квантово число: l=0; на n=2 съответстват две стойности на орбиталното число: l=0 и l=1; и т.н. При водородния атом състоянията с едно и също орбитално квантово число имат една и съща енергия. Състояния, които имат една и съща енергия, но се различават по друг признак в квантовата механика се наричат изродени състояния. Изродените състояние се различават по формата на електронния облак. В атомите с повече от един електрон състоянията с различна стойност на орбиталното квантово число не са изродени и имат различна енергия. Казва се, че електроните с едно и също главно квантово число, но различно орбитално квантово число образуват подслоеве на съответния електронен слой, а за енергиите на тези електрони се казва, че са поднива на дадено енергетично ниво.

Третото квантово число се нарича магнитно квантово число и се означава с m_l. Възможните негови стойности са ограничени от стойността на орбиталното квантово число l и те са: 0, ±1, ±2, ..., ±l. Стойността на магнитното квантово число определя каква е ориентацията на орбиталата в пространството. Състоянията с едно и също магнитно квантово число в изолирани, не подложени на външно влияние атоми са изродени, но ако атомите са поставени, например, в магнитно поле енергиите на тези състояния започват да се различават. Възниква, както се казва, разцепване на енергетичните нива.

Четвъртото квантово число се нарича спиново квантово число, означава се с m_s и има две възможни стойности +1/2 и -1/2. Спиновото квантово число описва едно свойство на електрона, което донякъде наподобява класическата представа за въртене на електрона около собствена ос. Спиновото квантово число води до, както се казва, свръхфинна структура на енергетичните нива - всяко енергетично ниво се оказва, че има две близки стойности на енергията, съответстващи на двете стойности на спиновото квантово число.

Copyright^© Ваньо Георгиев, 2005 г. Въпроси и коментари пишете тук.
physics-bg.org