各エネルギーレベルの軌道の数を見つける方法

エネルギー準位と軌道は、原子の電子構造を説明するのに役立ちます。それらは電子が原子内でどのように配置されるかを指定し、そのようなエネルギーの記述は量子論から導き出されます.

量子論

量子論では、原子は特定のエネルギー状態でしか存在できないと仮定しています。原子または電子が相関によって状態を変えると、状態間のエネルギー差に等しい量のエネルギーを吸収または放出します。

放出または吸収されるエネルギーは量子化されます。 明確な量を特徴とするエネルギーです .これらの許可されたエネルギー状態は、量子数と呼ばれる数のセットによって記述できます。

量子数

原子内の電子の配置は、4 つの量子数で表すことができます :n, l 、 m__l _ と m_s .これらは、それぞれエネルギー準位、電子サブシェル、軌道方向、スピンに関連しています。

第一量子数:エネルギー レベル

最初の量子数は n で指定されます そして主要なエネルギー準位です。

主エネルギー準位の定義は、観測者に軌道のサイズを伝え、エネルギーを決定します。 n の増加 はエネルギーの増加であり、これは電子が原子核から遠く離れていることも意味します。

最初の量子数は、1 から始まる整数値のみを取ることができます。 いいえ =1, 2, 3, 4 ... 各エネルギー レベルも文字に対応します:n =1 (K), 2 (L), 3 (M), 4 (N) ...

第一量子数:軌道と電子の計算

主量子数から軌道の量を計算するには、n を使用します .各エネルギー準位には n 個の軌道があります。 n = の場合 1、1つまたは1つの軌道があります。 n =2 の場合、2 つまたは 4 つの軌道があります。 n の場合 =3 n の場合、9 つの軌道があります =4 n の場合、16 個の軌道があります =5 5 =25 個の軌道などがあります。

各エネルギー準位の電子の最大数を計算するには、式 2n n の場所で使用できます は主エネルギー準位 (第 1 量子数) です。たとえば、エネルギー レベル 1, 2(1) は、最初のエネルギー レベルに収まる可能性のある 2 つの電子を計算します。

Second Quantum Number:Electron Subshel​​ls

2 番目の量子数はサブレベルを表し、文字 l で指定されます .この量子数は、電子のサブシェルと電子雲の一般的な形状を示します。

最初の 2 つの量子数は関連しています。任意の n に対して 、l 0 から最大 (n) までの任意の積分を取ることができます – 1); l =0, 1, 2, 3 ...

量子レベル、l =0、1、2、3 は、それぞれ電子サブシェル s、p、d、f に対応します。 s の形状は球形で、p は 8 の字型であり、d 軌道と f 軌道はより複雑な設計で、主にクローバー型の軌道を含みます。

各電子サブシェルには、一定量の電子 (s =2、p =6、d =10、f =14) を含めることができます。

第 3 量子数:軌道方向

3 番目の量子数 m__l _ は、電子雲が空間でどのように方向付けられるかを示します。

この量子数は、l の間で、0 を含む任意の整数値を持つことができます。 そして–l (2 番目の量子数)、または m__l =_l ... 2、1、0、-1、-2 ... -l

l の場合 =0、m__l は 1 つしかありません 値、これも 0。これには軌道が 1 つだけ含まれます。 p 軌道の場合、m _l _ =1、0、-1。これは、3 つの異なる方向にある 3 つの p 軌道、p_x に対応します。 、p_y , p_z 、3 次元の x、y、z 軸に対応します。

第 4 量子数:Electron Spin

4 番目の量子数は、時計回りまたは反時計回りのスピンを指定します。

電子は、軸上を回転する荷電粒子であるため、磁気特性を持っています。この量子数は n、l とは関係ありません 、 m_l であり、可能な値は +1/2 または -1/2 の 2 つだけです。

4 番目の量子数を追加すると、電子はパウリの排他原理を破ることなく軌道に入ることができます。これは、2 つの電子が 4 つの量子数の同じセットを持つことはできないことを示しています。

量子数を使って軌道を計算する

エネルギー準位の軌道の量を見つけることは、式 n によって導出できることを思い出してください。 .エネルギー準位 3 の場合、n =(3) または 9 つの軌道。

上記の量子数からの情報を使用して、より完全な計算を行うことができます。 n の場合 =3、l の値 追加できます。 l の場合 =0、軌道は 1 つだけ、m_l =0. l の場合 =1、3 つの値があります (m_l =−1、0、または +1)。 l の場合 =2、可能な値は 5 つあります (m_l =−2、−1、0、+1 または +2)。したがって、可能性を追加すると、合計で 1 + 3 + 5 =9 個の軌道が得られます。