Τι είναι οι κβαντικοί αριθμοί;

Στο επικρατούσα θεωρητικό μοντέλο του ατόμου, υπάρχουν τέσσερις κβαντικοί αριθμοί που περιγράφουν τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων.Αυτές περιλαμβάνουν τους κύριους, αζιμουθιακούς, μαγνητικούς και κβαντικούς αριθμούς.Μαζί, αυτοί οι τέσσερις αριθμοί δίνουν την κβαντική κατάσταση ενός ηλεκτρονίου.Μια κβαντική κατάσταση είναι το σύνολο των μαθηματικών πληροφοριών που απαιτούνται για την πλήρη περιγραφή ενός συγκεκριμένου συστήματος ύλης και ενέργειας, όπως ένα άτομο.Κανένα δύο ηλεκτρόνια δεν μπορεί να μοιράζεται τους ίδιους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς, σύμφωνα με την αρχή αποκλεισμού Pauli της κβαντικής μηχανικής.

Ο πρώτος από τους κβαντικούς αριθμούς ονομάζεται κύριος κβαντικός αριθμός.Αυτός ο αριθμός, ο οποίος μπορεί να είναι οποιοσδήποτε θετικός ακέραιος που αρχίζει με 1, αναφέρεται στην απόσταση της τροχιάς ενός ηλεκτρονίου από τον ατομικό πυρήνα.Σε αντίθεση με τις πλανητικές τροχιές, ωστόσο, τα ηλεκτρόνια δεν είναι ελεύθερα να περιστρέφονται σε οποιαδήποτε απόσταση.Αντίθετα, περιορίζονται στην τροχιά σε διακριτά επίπεδα ενέργειας ή σε ένα κεντρικό δόγμα της κβαντικής μηχανικής.Παρόμοια με τις πλανητικές τροχιές, από την άλλη πλευρά, τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται περαιτέρω από τον πυρήνα διαθέτουν υψηλότερη κινητική ενέργεια.

Ο αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός υποδηλώνει τη γωνιακή ορμή του ατομικού τροχιακού ενός ηλεκτρονίου.Αυτός ο αριθμός λέει κάτι για το σχήμα της τροχιάς ενός ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα.Τα ηλεκτρόνια μπορούν να περιστρέφονται σε περισσότερα ή λιγότερα σφαιρικά σμήνη γύρω από τον πυρήνα ή μπορούν να παρουσιάσουν πιο περίπλοκη συμπεριφορά.Η ιδέα ενός ηλεκτρονίου ως στερεού σωματιδίου που περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα, ωστόσο, δεν είναι σωστή.Η αρχή της αβεβαιότητας της κβαντικής μηχανικής δηλώνει ότι η θέση ενός ηλεκτρονίου είναι θεμελιωδώς θέμα πιθανότητας.

Χτίζοντας στους άλλους κβαντικούς αριθμούς, ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός λέει κάτι για τον προσανατολισμό του τροχιακού ηλεκτρονίου στο διάστημα.Αυτή η ιδιότητα ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά όταν οι επιστήμονες εξέθεσαν τα αέρια σε μαγνητικά πεδία και στη συνέχεια παρατήρησαν τον τρόπο που αλληλεπιδρούν με το φως.Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός σχετίζεται επίσης με τα ενεργειακά επίπεδα ενός ατομικού τροχιακού.

Τέλος, ο κβαντικός αριθμός περιστροφής καθορίζει μία από τις δύο καταστάσεις περιστροφής ενός ηλεκτρονίου.Ενώ οι κύριοι και οι αζιμουθιακοί κβαντικοί αριθμοί διακρίνουν μεταξύ διαφορετικών τροχιακών θέσεων ενός ηλεκτρονίου, ο κβαντικός αριθμός περιστροφής μπορεί να διακρίνει μεταξύ δύο ηλεκτρονίων σε μια κατά τα άλλα ταυτόσημη κβαντική κατάσταση.Εάν δύο ηλεκτρόνια στο ίδιο άτομο έχουν τους ίδιους τρεις προηγούμενους κβαντικούς αριθμούς, οι κβαντικοί αριθμοί τους πρέπει να είναι διαφορετικοί.Η περιστροφή των ηλεκτρονίων δεν είναι ακριβώς η ίδια αίσθηση της "περιστροφής" που συνήθως θεωρείται, αλλά είναι ένας βαθμός ελευθερίας για ένα ηλεκτρόνιο.Μπορεί να πάρει μία από τις δύο πιθανές τιμές: -1/2 ή +1/2.