量子数は、原子内の電子の位置とエネルギーを記述するために使用される数の集まりです。量子数には、主量子数、方位角量子数、磁気量子数、スピン量子数の 4 種類があります。
それらは、量子システムで保存された量の値を決定するために使用されます。電子量子数 (電子を記述する量子数) は、方程式に受け入れられる水素原子のシュレディンガー波動方程式の解を提供する数値の集合として定義できます。
これらの 4 つの量子数を使用して、原子に属する特定の電子のすべての特性を完全に記述することができます。番号は次のとおりです:
- 主量子数は文字「n」で表されます。
- 軌道角運動量の量子数 (方位角量子数とも呼ばれます) は、文字「l」で表されます。
- 磁気量子数は記号「ml」で表されます
- 電子スピン量子数は記号「ms」で表されます。
- 電子量子数は、電子的に生成できる量子数の一種です。
- 粒子の挙動を表す 4 つの量子数
シュレディンガー波動方程式に従って電子の特性を記述する場合、合計 4 つの量子数が使用されます。原子物理学における電子の固有の量子状態を記述する 4 つの量子数のそれぞれについて、各数の簡単な説明を含む次のセクションで簡単に説明します。
主量子数
- 主量子数は、宇宙の基本的な性質を表す数値です。記号「n」は、主量子数を表すために使用されます。それらは、原子の一次電子殻または複数の殻を示すために使用されます。
- 主量子数は原子核と電子の間の最も可能性の高い距離を表すため、主量子数の値が大きいほど電子と原子核の間の距離が大きくなることを意味し、逆もまた同様です (つまり、より大きな原子サイズ)
- 1 以上の正の値を持つ整数は、1 で割り切れる限り、主量子数の値として使用できます。原子の最も内側の電子殻を表すために n=1 という数値が使用される場合、それは電子の可能な限り低いエネルギー状態 (基底状態とも呼ばれます) に対応します。
- したがって、上記の例に見られるように、原子はその主殻に負の値または値を持たないことができないため、主量子数 n は負の値またはゼロに等しい値を持つことができないことがわかります。 .
- 特定の電子に (励起状態で) エネルギーが注入されると、電子は 1 つの主殻からより高い主殻にジャンプし、それによって n の値が増加することに注意してください。同様に、電子がエネルギーを失うと、電子は下の殻に戻り、その過程で n の値を下げます。
- 「吸収」という用語は、電子によって吸収されるエネルギーの光子に重点を置いて、電子の n 値の増加を指します。これと同様に、電子の n の値が減少すると、電子は蓄積されたエネルギーを放出します。これは放出と呼ばれます。
方位量子数 (軌道角運動量量子数)
- 方位量子数は、方位角方向に向いた量子数です (軌道角運動量量子数)
- 方位角量子数 (または軌道角運動量) は、軌道の形状を角運動量で表します。これは文字「l」で表され、その数値は軌道面内の角度ノードの総数に等しくなります。
- 方位角量子数の値は、s、p、d、または f サブシェルのいずれかを示すことができ、それぞれが他とは異なる形状を持っています。この場合、方位角量子数の値は主量子数の値によって決定されます。つまり、方位角量子数の値は 0 から 1 の範囲です。 (n-1)
- たとえば、方位量子数は、n が 3 に等しい場合、0、1、および 2 の値を取ることができます。 l=0 の場合、結果のサブシェルはデフォルトの「s」サブシェルになります。同様に、l=1 および l=2 の場合、結果のサブシェルは文字「p」および「d」で示されます (それぞれ)。その結果、n=3 の場合、可能な 3 つのサブシェルはそれぞれ 3s、3p、3d です。
- 別の例として、n の値が 5 で、l の可能な値が 0、1、2、3、4 の場合があります。この場合、l の可能な値は 0、1、2、3、 4. l =3 の場合、アトムには合計 3 つの角度ノードがあり、これはほとんどのアトムに当てはまります。
主量子数と方位角量子数から派生した量子数
図に示されているように、「l」の値は常に「n」の値よりも小さいため、「2d」軌道は存在できないと結論付けるのが妥当です。
磁気量子数
- 磁気量子数は、周囲に磁場を持つ数です。
- 磁気量子数は、サブシェル内の軌道の総数と、サブシェル内の軌道の方向などを決定します。その尺度は、記号mlで示されます。この場合、軌道の角運動量は特定の方向に沿って投影され、この数値はその投影の結果を表します。
- 磁気量子数の値は方位角 (または軌道角運動量) 量子数の値に依存し、これは磁気量子数の値に依存します。与えられた l の値に対して、ml の値は、グラフを見ると -l から +l の範囲のどこにでも見つけることができます。結果として、n の値はそれに間接的な影響を与えます。
たとえば、原子の磁気量子数が原子内で -3、-2、-1、0、+1、+2、+3 の場合、磁気量子数の可能な値は -3、-2 です。 、-1、0、+1、+2、+3.
- 方位量子数の値は、軌道の数 (2l + 1) に対応します。
- 特定のサブシェル内の軌道の総数は、そのサブシェル内の各軌道に割り当てられた「l」値の関数です。これは、式 (2l + 1) を使用して計算できます。たとえば、'3d' サブシェル (n=3, l=2) には 5 つの軌道 (2*2 + 1) が含まれ、'2d' サブシェル (n=3, l=2) には 4 つの軌道が含まれます。 2つの電子を保持する能力。その結果、3 番目のサブシェルには合計 10 個の電子の容量があります。
- 電子スピン量子数は、電子のスピンを表す数です。電子スピン量子数は、n、l、および ml の値の影響を受けないため、明確です。記号 ms で表されるこの数値の値は、電子が回転している方向に関する情報を提供します。
- ms の値を見ることで、電子が回転している方向を判断することができます。 +1/2 から -1/2 の間の電子スピン量子数を持つことが可能です。
- ms の正の値は、電子が上向きのスピンを持っていることを示します。これは「スピンアップ」とも呼ばれ、記号「スピンアップ」で示されます。 ms が負の場合、問題の電子は下向きのスピンを持っていると言われ、「下向きのスピン」とも呼ばれ、記号で表されます。
- 電子スピン量子数の値は、問題の原子が周囲に磁場を生成する能力を持っているかどうかを決定します。 ms の値は、+1/2 または -1/2 の数値で概算できます。
結論
量子数は、原子の電子配置と、その電子がどこにある可能性が最も高いかを把握するために使用される可能性があるため、不可欠です。イオン化エネルギーや原子半径などの原子の他の特性も、量子数を使用して理解されます。
