מספרים קוונטיים ואורביטלים אלקטרוניים

כימיה היא בעיקר חקר אינטראקציות אלקטרונים בין אטומים למולקולות. הבנת התנהגות האלקטרונים באטום, כגון עקרון Aufbau, הוא חלק חשוב מההבנה תגובה כימית. תיאוריות אטומיות קדומות השתמש ברעיון שאלקטרון של אטום פעל לפי אותם חוקים כמו מערכת סולארית מיני בה היו כוכבי הלכת אלקטרונים המקיפים סביב שמש פרוטון מרכזית. כוחות אטרקטיביים חשמליים חזקים בהרבה מכוחות הכבידה, אך עקבו אחר אותם כללי ריבוע הפוכים בסיסיים למרחק. תצפיות מוקדמות הראו שהאלקטרונים נעים יותר כמו ענן המקיף את הגרעין ולא ככוכב לכת בודד. צורת הענן, או המסלול, תלויה בכמות האנרגיה, תנופה זוויתית והרגע המגנטי של האלקטרון הבודד. המאפיינים של אטום תצורת האלקטרון מתוארים על ידי ארבעה מספרים קוונטיים: n, ℓ, M, ו s.

הראשון הוא רמת האנרגיה מספר קוונטי, n. במסלול, מסלולי אנרגיה נמוכים קרובים יותר למקור המשיכה. ככל שאתה נותן יותר אנרגיה למסלול במסלול, כך הוא 'יוצא' יותר. אם אתה נותן לגוף מספיק אנרגיה, הוא יעזוב את המערכת לחלוטין. הדבר נכון גם למסלול אלקטרוני. ערכים גבוהים יותר של n פירושו אנרגיה רבה יותר לאלקטרון ולרדיוס המקביל לענן האלקטרונים או מסלול הרחוק נמצא רחוק יותר מהגרעין. ערכים של

ה מספר קוונטי שני הוא המספר הקוונטי הזוויתי, ℓ. כל ערך של n יש מספר ערכים של ℓ שנעים בערכים מ- 0 ל- (n-1). המספר הקוונטי הזה קובע את 'הצורה' של ענן אלקטרונים. בכימיה ישנם שמות לכל ערך של ℓ. הערך הראשון, ℓ = 0 שנקרא מסלול s. האורביטלים של הכדור הם כדוריים, ובמרכזם הגרעין. השני, ℓ = 1 נקרא מסלול p. אורביטלי p הם בדרך כלל קוטביים ויוצרים צורת עלה כותרת דמעה עם הנקודה לעבר הגרעין. ℓ = 2 מסלול נקרא מסלול d. אורביטלים אלה דומים לצורת האורביטאלית, אך עם יותר 'עלי כותרת' כמו תלתן. הם יכולים גם להיות בעלי צורות טבעת סביב בסיס עלי הכותרת. המסלול הבא, ℓ = 3 נקרא מסלול f. אורביטלים אלה נוטים להיראות דומים למ orbitals, אך עם 'עלי כותרת' אפילו יותר. לערכים הגבוהים יותר של ℓ יש שמות הבאים לפי סדר האלף-בית.

המספר הקוונטי השלישי הוא המספר הקוונטי המגנטי, M. מספרים אלה התגלו לראשונה בספקטרוסקופיה כאשר היסודות הגזים נחשפו לשדה מגנטי. הקו הספקטרלי המתאים למסלול מסוים יתפצל למספר קווים כאשר יובא שדה מגנטי על פני הגז. מספר השורות המפוצלות יהיה קשור למספר הקוונטי הזוויתי. קשר זה מראה לכל ערך של ℓ, מערך ערכים מתאים M נמצא בין -ℓ ל ℓ נמצא. מספר זה קובע את האוריינטציה של המסלול במרחב. לדוגמה, p אורביטלים תואם ℓ = 1, יכול להיות M ערכים של -1,0,1. זה ייצג שלוש אוריינטציות שונות במרחב עבור עלי הכותרת התאומים של צורת המסלול. לרוב הם מוגדרים כ- p_איקס, ע_y, ע_ז לייצג את הצירים שאיתם הם מיישרים קו.

המספר הקוונטי הרביעי הוא קוונט הספין מספר, s. יש רק שני ערכים עבור s, + ½ ו- ½. אלה מכונים גם 'ספין אפ' ו'ספין למטה '. מספר זה משמש כדי להסביר את התנהגות האלקטרונים האישיים כאילו מסתובבים בכיוון השעון או נגד כיוון השעון. החלק החשוב למעגלים הוא העובדה שכל ערך של M יש שני אלקטרונים והיה צורך בדרך להבדיל אותם זה מזה.

ארבעת המספרים האלה, n, ℓ, M, ו s ניתן להשתמש כדי לתאר אלקטרון באטום יציב. מספרים קוונטיים של כל אלקטרון הם ייחודיים ולא ניתן לשתף אותם עם אלקטרון אחר באותו אטום. נכס זה נקרא עקרון הרחקת פאולי. אטום יציב מכיל אלקטרונים רבים כמו פרוטונים. הכללים שהאלקטרונים מבצעים כדי לכוון את עצמם סביב האטום שלהם הם פשוטים לאחר שהחוקים הנוגעים למספר הקוונטי יובנו.

• n יכולים להיות ערכי מספר שלם: 1, 2, 3, ...
• עבור כל ערך של n, ℓ יכולים להיות ערכי מספר שלם מ- 0 ל- (n-1)
• M יכול להיות כל ערך שלם של מספרים מלאים, כולל אפס, מ- -ℓ ל + ℓ
• s יכול להיות + ½ או -½