Nhiều trong cơ lượng tử vẫn nằm ngoài khả năng hiểu, nhiều điều có vẻ tuyệt vời. Điều tương tự cũng áp dụng cho các số lượng tử, bản chất của nó vẫn còn là bí ẩn cho đến ngày nay. Bài báo mô tả khái niệm, các loại và nguyên tắc chung làm việc với họ. Show đặc điểm chungSố lượng tử số nguyên hoặc nửa số nguyên cho các đại lượng vật lý xác định tất cả những gì có thể giá trị rời rạc nêu đặc điểm của các hệ lượng tử (phân tử, nguyên tử, hạt nhân) và các hạt cơ bản. Ứng dụng của họ có liên quan mật thiết đến sự tồn tại của hằng số Planck. Tính rời rạc của các quá trình xảy ra trong mô hình thu nhỏ phản ánh các số lượng tử và ý nghĩa vật lý. Chúng được giới thiệu lần đầu tiên để mô tả sự đều đặn của quang phổ của nguyên tử. Nhưng ý nghĩa vật lý và tính rời rạc của các đại lượng riêng lẻ chỉ được tiết lộ trong cơ học lượng tử. Tập hợp xác định toàn bộ trạng thái của hệ thống này được gọi là tập hợp hoàn chỉnh. Tất cả các trạng thái chịu trách nhiệm về các giá trị có thể có từ một tập hợp như vậy tạo thành một hệ thống các trạng thái hoàn chỉnh. Số lượng tử trong hóa học, với bậc tự do của electron, người ta xác định nó theo ba tọa độ không gian và bậc tự do bên trong - spin. Cấu hình electron trong nguyên tửMột nguyên tử chứa một hạt nhân và các êlectron, giữa chúng có các lực có bản chất tĩnh điện. Năng lượng sẽ tăng khi khoảng cách giữa hạt nhân và electron giảm. Người ta tin rằng nó sẽ bằng 0 nếu nó ở xa hạt nhân vô cùng. Trạng thái này được sử dụng làm điểm bắt đầu. Do đó, năng lượng tương đối của electron được xác định. Vỏ electron là một tập hợp Thuộc một trong số chúng được biểu thị bằng số lượng tử chính n.  Số chínhNó đề cập đến một mức năng lượng nhất định với một tập hợp các obitan có giá trị tương tự nhau, bao gồm n = 1, 2, 3, 4, 5 ... Khi một electron chuyển từ bậc này sang bậc khác, nó sẽ thay đổi. lưu ý rằng không phải tất cả các cấp đều chứa đầy electron. Khi lấp đầy lớp vỏ của một nguyên tử, nguyên tắc ít năng lượng nhất được thực hiện. Trạng thái của anh ta trong trường hợp này được gọi là không bị kích thích hoặc cơ bản. Số quỹ đạoMỗi cấp độ có các obitan. Những người trong số họ có năng lượng tương tự tạo thành một cấp độ bán lại. Phép gán như vậy được thực hiện bằng cách sử dụng số lượng tử quỹ đạo (hay còn được gọi là bên) l, nhận các giá trị của các số nguyên từ 0 đến n - 1. Vì vậy, một electron có số lượng tử chính và quỹ đạo n và l có thể bằng nhau, bắt đầu bằng l = 0 và kết thúc bằng l = n - 1. Điều này cho thấy bản chất của sự chuyển động của mức năng lượng và mức độ bán lại tương ứng. Với l = 0 và giá trị bất kỳ của n, đám mây electron sẽ có dạng hình cầu. Bán kính của nó sẽ tỷ lệ thuận với n. Tại l = 1, đám mây electron sẽ có dạng vô cực hoặc hình tám. Thế nào giá trị hơn l, hình dạng càng phức tạp và năng lượng electron sẽ tăng lên. Số từ tínhMl là hình chiếu của quỹ đạo (mặt bên) lên phương này hay phương khác từ trường. Nó chỉ ra sự định hướng trong không gian của các obitan trong đó số l là như nhau. Ml có thể có các giá trị khác nhau 2l + 1, từ -l đến + l. Một số lượng tử từ tính khác được gọi là spin - ms, là khoảnh khắc riêng số chuyển động. Để hiểu điều này, người ta có thể tưởng tượng sự quay của một electron, như nó vốn có, xung quanh trục riêng. Ms có thể là -1/2, +1/2, 1. Nói chung, đối với bất kỳ điện tử nào giá trị tuyệt đối spin s = 1/2, và ms có nghĩa là hình chiếu của nó lên trục. Nguyên lý Pauli: Một nguyên tử không thể chứa hai electron với bốn số lượng tử giống nhau. Ít nhất một trong số họ phải xuất sắc. Quy tắc rút ra công thức của nguyên tử.
Các hạt cơ bản và hạt nhânCác số lượng tử trong vật lý là các đặc điểm bên trong của chúng xác định các tương tác và các dạng biến đổi. Ngoại trừ spin s, điều này sạc điện Q, đối với tất cả các hạt cơ bản bằng 0 hoặc một số nguyên, âm hoặc dương; điện tích baryon B (bằng không hoặc một trong hạt, bằng không hoặc trừ một trong phản hạt); điện tích lepton, trong đó Le và Lm bằng không, một, và trong phản hạt - bằng không và trừ một; spin đồng vị với số nguyên hoặc nửa số nguyên; sự kỳ lạ S và những người khác. Tất cả các số lượng tử này áp dụng cho cả hai Các hạt cơ bản cũng như hạt nhân nguyên tử. TẠI nghĩa rộng từ chúng được gọi là các đại lượng vật lý xác định chuyển động của một hạt hoặc hệ thống và được bảo toàn. Tuy nhiên, không nhất thiết chúng phải thuộc một phổ rời rạc của các giá trị có thể. Giới thiệuToàn bộ hoặc số phân số, xác định các giá trị có thể có của các đại lượng vật lý đặc trưng cho các hệ lượng tử ( hạt nhân nguyên tử, nguyên tử, phân tử, v.v.), sep. độ cao. hạt, hạt giả thuyết quark và gluon.
bức xạ lượng tử từ Số lượng tửđiện động lực học lượng tửSố lượng tử là các tham số năng lượng xác định trạng thái của một electron và loại quỹ đạo nguyên tử mà nó nằm trên đó. Số lượng tử là cần thiết để mô tả trạng thái của mỗi electron trong nguyên tử. Chỉ 4 số lượng tử. Đó là: số lượng tử chính - n, số lượng tử quỹ đạo - l, số lượng tử từ - ml và số lượng tử spin - ms. Số lượng tử chính là n. Số lượng tử chính - n - xác định mức năng lượng của electron, khoảng cách mức năng lượng từ hạt nhân và kích thước của đám mây electron. Số lượng tử chính nhận bất kỳ giá trị nguyên nào bắt đầu từ n = 1 (n = 1,2,3,…) và tương ứng với số chu kỳ. Số lượng tử quỹ đạo - l. Số lượng tử quỹ đạo - l - xác định hình dạng hình học quỹ đạo nguyên tử. Số lượng tử quỹ đạo nhận bất kỳ giá trị nguyên nào bắt đầu từ l = 0 (l = 0,1,2,3,… n-1). Bất kể số của mức năng lượng, mỗi giá trị của số lượng tử quỹ đạo tương ứng với một quỹ đạo có hình dạng đặc biệt. Một “tập hợp” các obitan như vậy có cùng giá trị của số lượng tử chính được gọi là mức năng lượng. Mỗi giá trị của số lượng tử quỹ đạo tương ứng với một quỹ đạo có hình dạng đặc biệt. Giá trị của số lượng tử quỹ đạo l = 0 tương ứng với quỹ đạo s (loại 1 trong). Giá trị của số lượng tử obitan l = 1 tương ứng với obitan p (thuộc 3 loại). Giá trị của số lượng tử obitan l = 2 ứng với obitan d (5 loại). Giá trị của số lượng tử obitan l = 3 tương ứng với obitan f (7 loại). Bảng 1 quỹ đạo f thậm chí còn có nhiều hơn hình dáng phức tạp. Mỗi loại quỹ đạo là thể tích không gian trong đó xác suất tìm thấy electron là cực đại. Số lượng tử từ - ml. Số lượng tử từ tính - ml - xác định hướng của quỹ đạo trong không gian so với từ trường bên ngoài hoặc điện trường. Số lượng tử từ nhận bất kỳ giá trị nguyên nào từ -l đến + l, bao gồm 0. Điều này có nghĩa là đối với mỗi hình dạng quỹ đạo có 2l + 1 định hướng tương đương về mặt năng lượng trong không gian quỹ đạo. Đối với quỹ đạo s: l = 0, m = 0 - một định hướng tương đương trong không gian (một quỹ đạo). Đối với quỹ đạo p: l = 1, m = -1,0, + 1 - ba định hướng tương đương trong không gian (ba obitan). Đối với quỹ đạo d: l = 2, m = -2, -1,0,1,2 - năm định hướng tương đương trong không gian (năm obitan). Đối với quỹ đạo f: l = 3, m = -3, -2, -1,0,1,2,3 - bảy định hướng tương đương trong không gian (bảy obitan). Số lượng tử spin - ms. Số lượng tử spin - ms - xác định mômen từ xuất hiện khi một electron quay quanh trục của nó. Số lượng tử spin chỉ có thể nhận hai giá trị khả dĩ +1/2 và -1/2. Chúng tương ứng với hai hướng có thể và ngược lại của chính một người mô men từ electron - spin. Điện động lực học lượng tử (QED), lý thuyết lượng tử về tương tác giữa điện tử-từ trường và các hạt mang điện. Thường thì QED được gọi là một phần của lượng tử. lý thuyết trường, trong đó xem xét sự tương tác của trường electron-từ và electron-positron. Từ trường electron trong một lý thuyết như vậy xuất hiện như một trường đo. Lượng tử của trường này là một photon - một hạt có khối lượng nghỉ bằng 0 và spin 1, và sự tương tác của hai phần tử là kết quả của sự trao đổi các photon ảo giữa chúng. Hằng số không thứ nguyên đặc trưng cho cường độ tương tác là hằng số cấu trúc tốt a = e2 / ћc »I / 137 (chính xác hơn là a-1 = 137.035987 (29)). Do giá trị nhỏ của a, phương pháp tính toán chính trong QED là lý thuyết nhiễu loạn, một hình hình ảnh đồ họađược cho bởi sơ đồ Feynman. Tính đúng đắn của QED đã được xác nhận bởi một số lượng lớn các thí nghiệm trong toàn bộ phạm vi khoảng cách (năng lượng) có sẵn, bắt đầu từ vũ trụ - 1020 cm và lên đến trong hạt - 10-16 cm. QED mô tả các quá trình như vậy bức xạ nhiệt cơ thể, hiệu ứng Compton, bremsstrahlung vv Tuy nhiên, điển hình nhất cho QED là các quá trình liên quan đến phân cực chân không. Hiệu ứng QED được quan sát đầu tiên là sự thay đổi của Lamb trong các mức năng lượng. Với độ chính xác kỷ lục, cái gọi là. nam châm bất thường. e-mail thời điểm. Magn. đại lượng mô-men xác định tương tác của một hạt ở trạng thái dừng với số lượng tử. magn. đồng ruộng. Từ lượng tử. Lý thuyết el-n của Dirac theo rằng el-n phải có mômen từ bằng từ trường của Bohr: mB = ећ / 2mc (với m là khối lượng của el-on). Trong QED, các hiệu chỉnh xuất hiện trong biểu thức cho năng lượng của một tương tác như vậy có thể được hiểu một cách tự nhiên là kết quả của sự xuất hiện của các phép cộng "chân không" vào mômen từ. Các chất phụ gia này, lần đầu tiên được nghiên cứu về mặt lý thuyết bởi nhà vật lý người Mỹ J. Schwinger, được gọi là mômen từ dị thường. Giá trị tính toán của mômen từ e trên m theor = mB (1 + a / 2p- 0,328478 (a / p) 2 + 1,184175 (a / p) 3 = 1,00115965236 (28) mB hoàn toàn phù hợp với giá trị thử nghiệm: mexp = 1.00115965241 (21) mB Một hiệu ứng đặc trưng của QED là sự tán xạ ánh sáng bởi ánh sáng. Trong điện động lực học cổ điển, hiệu ứng này không có: sóng điện từ được coi là không tương tác. Trong QED, hiệu ứng có thể xảy ra do tác động của chân không electron-positron với các dao động. TẠI trạng thái ban đầu- hai photon ( đường lượn sóng); một trong số chúng biến mất tại điểm 1, làm phát sinh một cặp electron-positron ảo (đường liền nét); photon thứ hai tại điểm 2 bị hấp thụ bởi một trong các hạt của cặp này (trong sơ đồ trên, bởi một positron). Sau đó, các photon cuối cùng xuất hiện: một hạt được sinh ra tại điểm 4 bởi một electron ảo, hạt kia sinh ra do sự hủy cặp electron-positron ảo tại điểm 3. Nhờ các cặp electron-positron ảo, tương tác giữa các photon xuất hiện, tức là nguyên tắc chồng chất sóng điện từ bị vi phạm. Điều này sẽ tự thể hiện trong các quá trình như sự tán xạ ánh sáng của ánh sáng. Quá trình tán xạ photon bởi trường tĩnh điện bên ngoài, có xác suất cao hơn một chút, đã được quan sát bằng thực nghiệm hạt nhân nặng, tức là trên các photon ảo (tán xạ Delbrück). Hiệu chỉnh "cao hơn" (bức xạ) được tính bằng phương pháp nhiễu loạn cũng xuất hiện trong quá trình tán xạ hạt tích điện và trong một số hiện tượng khác. Một lớp khác của hiệu ứng "chân không" được dự đoán bởi lý thuyết là việc tạo ra các hạt-phản hạt trong trường hấp dẫn và điện từ rất mạnh (cả tĩnh và biến). Đặc biệt, vấn đề thứ hai được thảo luận liên quan đến các vấn đề vũ trụ liên quan đến giai đoạn đầu của quá trình tiến hóa của Vũ trụ (sự sản sinh cặp đôi trong trường hấp dẫn của các lỗ đen). Quá trình này là một ví dụ về sự đan xen chặt chẽ về vật lý của lepton và hadron. Tầm quan trọng của các quá trình phân tích kiểu này tăng lên đặc biệt là sau khi xuất hiện các thí nghiệm về các chùm electron-positron va chạm. (QFT), lượng tử tương đối tính. lý thuyết vật lý. hệ có vô số bậc tự do. Ví dụ về một hệ thống như vậy là một trường điện từ, cho mô tả đầy đủ mà, tại bất kỳ thời điểm nào, đòi hỏi phải gán cường độ của điện trường và từ trường tại mỗi điểm của pr-va, tức là gán một số lượng vô hạn. Ngược lại, vị trí của một hạt tại mỗi thời điểm được xác định bằng cách xác định ba tọa độ của nó. Cho đến nay, chúng ta đã coi các hạt tự do không tương tác, số lượng của chúng không thay đổi; vì có thể dễ dàng chỉ ra với sự trợ giúp của quan hệ (6), toán tử số hạt N (n) = a + na-n giao hoán với toán tử năng lượng? = S? (p) N ^ (p), vì vậy số lượng các hạt phải không đổi, tức là không có các quá trình xuất hiện của các hạt bổ sung, sự biến mất và chuyển đổi lẫn nhau của chúng. Tính toán cho các quá trình này yêu cầu bao gồm cả sự tương tác của các hạt. Tương tác trong QTP. Trong điện động lực học cổ điển, tương tác giữa các hạt mang điện xảy ra thông qua một trường: một điện tích tạo ra một trường tác dụng lên các điện tích khác. Trong lý thuyết lượng tử, sự tương tác trường điện từ và một hạt mang điện trông giống như sự phát xạ và hấp thụ các phần của các photon, và tương tác giữa các hạt mang điện là kết quả của sự trao đổi các photon của chúng: mỗi electron phát ra các photon (lượng tử của trường điện từ mang tương tác), sau đó bị người khác hấp thụ. Mô hình tương tác này là do tài sản đặc biệtđiện động lực học, v.v. N. đo đối xứng. Một cơ chế tương tác tương tự ngày càng được khẳng định đối với vật chất khác. lĩnh vực. Tuy nhiên, một hạt tự do không thể phát ra cũng như không hấp thụ một lượng tử. Ví dụ, trong một hệ thống mà hạt đang ở trạng thái nghỉ, bức xạ của một lượng tử yêu cầu tiêu tốn năng lượng và giảm khối lượng của hạt (do năng lượng và khối lượng tương đương), điều này là không thể. Để giải quyết nghịch lý này, chúng ta phải tính đến rằng hạt - lượng tử. đối tượng mà quan hệ D? Dt? và do đó, sự phát xạ hoặc hấp thụ của các lượng tử trường, với điều kiện là những lượng tử này tồn tại trong khoảng thời gian Dt? ћ / D ?. (Trên cơ sở lý luận như vậy và thực tế về hoạt động trong phạm vi ngắn của lực hạt nhân, nhà vật lý Nhật Bản X. Yukawa đã tiên đoán sự tồn tại của một hạt - hạt mang hành động hạt nhân có khối lượng xấp xỉ 200 - 300 electron, mà sau đó được phát hiện bằng thực nghiệm và được gọi là máy phát điện và bộ khuếch đại p-meson.) sóng điện từ dựa trên hiện tượng bức xạ được kích thích (cảm ứng). Nguyên lý hoạt động của máy phát lượng tử vi sóng, được gọi là maser (viết tắt của Từ tiếng anh Khuếch đại vi sóng bằng bức xạ phát xạ kích thích, nghĩa là "khuếch đại vi sóng do phát xạ kích thích"), được đề xuất vào năm 1954 bởi C. Townes. (Nguyên tắc tương tự làm cơ sở cho bộ khuếch đại lượng tử quang học và máy phát laze.) Vì tần số bức xạ ở đầu ra của máy phát lượng tử được xác định bởi các mức năng lượng cố định, rời rạc của nguyên tử hoặc phân tử. môi trường hoạt độngđược sử dụng trong máy phát điện như vậy, nó có giá trị được xác định rõ ràng và không đổi. Phát xạ tự phát và cưỡng bức. Năng lượng bức xạ điện từđược giải phóng hoặc hấp thụ dưới dạng "phần" riêng biệt, được gọi là lượng tử hoặc photon, và năng lượng của một lượng tử bằng hn, trong đó h là hằng số Planck và n là tần số bức xạ. Khi một nguyên tử hấp thụ một lượng tử năng lượng, nó sẽ chuyển sang một mức năng lượng cao hơn, tức là một trong các electron của nó nhảy lên quỹ đạo xa hạt nhân hơn. Thông thường người ta nói rằng nguyên tử sau đó chuyển sang trạng thái kích thích. Một nguyên tử ở trạng thái kích thích có thể từ bỏ năng lượng dự trữ những cách khác. Một con đường khả thi- Tự phát ra một lượng tử có cùng tần số, sau đó nó trở lại trạng thái ban đầu. Đây là một quá trình phát xạ tự phát(khí thải), được thể hiện bằng sơ đồ trong Hình. 3 Bật tần số cao, I E. ở bước sóng nhỏ tương ứng với ánh sáng nhìn thấy, sự phát xạ tự phát xảy ra rất nhanh. Một nguyên tử bị kích thích, khi đã hấp thụ một photon của ánh sáng nhìn thấy, thường mất năng lượng thu được do phát xạ tự phát trong vòng chưa đầy một phần triệu giây. Quá trình phát xạ tự phát ở tần số thấp hơn bị trễ. Ngoài ra, một nguyên tử có thể chuyển sang trạng thái trung gian nào đó, chỉ mất một phần năng lượng dưới dạng một photon năng lượng thấp hơn do nó phát ra. Chỉ có một electron trong nguyên tử hydro và quang phổ phát xạ của nó tương đối đơn giản. Trong quang phổ vạch phát xạ của nguyên tử các nguyên tố khác số vạch nhiều hơn. Ngay cả trước khi mô hình Bohr ra đời, các nhà vật lý đã học cách phân biệt các vạch có khoảng cách gần nhau trong các quang phổ khác nhau về xuất hiện. Một số trong số chúng (rất hẹp) được gọi là "sharp" (từ tiếng Anh. Sharp). Các đường sáng nhất được gọi là "chính" (từ nguyên tắc tiếng Anh). Các đường rộng hơn đã được quan sát - chúng được gọi là "mờ" (khuếch tán). Một loại dòng khác được gọi là "cơ bản" (từ nền tảng tiếng Anh). Những chữ cái đầu tiên Tiêu đề tiếng anh họ đã nói về sự hiện diện của các vạch s-, p-, d- và f trong quang phổ phát xạ. Như được áp dụng cho mô hình Bohr, điều này có nghĩa là trong quang phổ của các nguyên tử phức tạp hơn hydro, các mức điện tử không đổi có thể bao gồm một số mức phân chia lại gần nhau: S-sublevel được đặt tên theo dòng "sharp", p-sublevel được đặt tên theo dòng "chính", Cấp độ d-sublevel được đặt tên theo dòng "khuếch tán", "làm mờ" (diffuse), cấp độ f được đặt tên theo dòng "cơ bản". Sự sắp xếp phức tạp của các mức được thể hiện trong Hình 4, mà chúng tôi tái tạo ở đây một lần nữa: Các cấp phân công điện tử của nguyên tử phức tạp hơn hydro. Sự hiện diện của các mức phân chia lại giải thích nguồn gốc của các vạch "sắc nét" (sắc nét), "nguyên tắc" (nguyên tắc) và "mờ" (khuếch tán) trong quang phổ. Hơn cấp độ cao không được hiển thị trong hình. Sử dụng quang phổ, hóa ra mức đầu tiên (n = 1) không chứa bất kỳ cấp độ nào ngoại trừ s. Cấp thứ hai bao gồm hai cấp độ lại (s và p), cấp độ thứ 3 bao gồm ba cấp độ phân tích lại (s, p và d), v.v. Như chúng ta có thể thấy, các mức phân chia lại được chỉ định bằng các chữ cái đầu tiên trong tên tiếng Anh của các vạch tương ứng trong quang phổ. Trong tương lai, các cấp độ bán lại cao hơn bắt đầu được biểu thị bằng cách đơn giản là tiếp tục Bảng chữ cái Latinh: g-sublayer, h-sublayer, v.v. Hình 5 mô tả sơ đồ một phần chuyển năng lượng của các electron trong nguyên tử liti, thu được từ quang phổ phát xạ của hơi nóng của kim loại này. Biểu đồ của một phần các mức năng lượng và mức phân chia lại của nguyên tử liti. Cấp độ 1 thấp hơn nhiều so với cấp độ 2 và không phù hợp với quy mô hình ảnh (trích từ cuốn sách của J. Campbell "Modern hóa học nói chung", M.: Mir, 1975, tập 1, trang 109). Có thể thấy rằng trong Hình. Ví dụ, p-sublevels bao gồm ba phần của cùng một năng lượng, d-sublevels - từ năm, f-sublevels - từ bảy. Nó được biết đến ở đâu? Trở lại năm 1896, nhà vật lý người Đức P. Zeeman đã đặt một thiết bị trong từ trường mạnh, tương tự như đèn hydro, nhưng chứa đầy hơi natri nóng. Người ta nhận thấy rằng số lượng các vạch trong quang phổ phát xạ tăng lên trong từ trường (hiệu ứng Zeeman). Một hiện tượng tương tự cũng được quan sát thấy trong một điện trường mạnh. Miễn là các electron chỉ bị ảnh hưởng Nội lực hạt nhân, một số trong số chúng có thể ở trạng thái có cùng năng lượng. Nhưng khi một trường bên ngoài bổ sung xuất hiện, năng lượng này không còn có thể giữ nguyên. Một phân tích về quang phổ Zeeman sau đó đã khiến nhà vật lý lý thuyết Wolfgang Pauli đưa ra ý tưởng rằng không quá hai điện tử có thể nằm trên một "giá" năng lượng. Và để chịu được lực đẩy mạnh, các electron như vậy phải có spin khác nhau (chúng ta sẽ quay lại tính chất này một chút sau). Nó chỉ ra rằng một nguyên tử không thể có hai electron ở cùng một trạng thái. Kết luận này được gọi là nguyên tắc Pauli (hoặc sự cấm đoán). Các thí nghiệm vật lý giúp xác định dân số của các mức và mức phân chia lại bằng các electron. Để làm được điều này, cần phải đo năng lượng ion hóa của các nguyên tử, tức là năng lượng bứt ra khỏi nó. Đầu tiên, đo năng lượng cần thiết để loại bỏ electron đầu tiên khỏi nguyên tử, sau đó là electron thứ 2, 3, v.v. Hóa ra là trong tất cả các nguyên tử đều có các electron mà năng lượng ion hóa gần nhau. Ví dụ, đối với argon (lớp vỏ electron của nó có 18 electron), người ta tìm thấy năm nhóm như vậy có năng lượng ion hóa tương tự. Chúng có 2, 2, 6, 2 và 6 electron. Nhưng 5 mức năng lượng thấp nhất của một nguyên tử tương ứng với các mức độ 1s, 2s, 2p, 3s và 3p (điều này được biết đến từ quang phổ phát xạ). Trong trường hợp này, phân tầng s chỉ nên bao gồm một quỹ đạo (nó có 2 điện tử), phân tầng p - gồm ba quỹ đạo (có 6 điện tử - mỗi quỹ đạo có hai điện tử). Có thể thấy rằng d-sublevel trong điều kiện bình thường(không có trường bên ngoài) bao gồm năm quỹ đạo có cùng năng lượng và cấp độ f bao gồm bảy. Mô hình Bohr dần dần được hoàn thiện. Nó thu hút các nhà khoa học bởi thực tế là với sự trợ giúp của nó, người ta có thể tính toán khá chính xác. Ví dụ, người ta có thể tính toán năng lượng của một nguyên tử hydro trong mặt đất và các trạng thái kích thích, xác định bán kính của nó, tính toán năng lượng ion hóa, v.v. Vì những mục đích này, mô hình đã được trang bị một cách rõ ràng và dễ hiểu đối với nhiều nhà nghiên cứu bộ máy toán học, được phát triển chủ yếu bởi N. Bohr và người theo ông A. Sommerfeld. Để thực hiện các phép tính, cần phải mô tả trạng thái của một electron trong nguyên tử, tức là chỉ ra "địa chỉ" chính xác của nó trong vỏ điện tử (chính xác hơn là trong mô hình vỏ điện tử) với sự trợ giúp của cái gọi là số lượng tử. Chúng ta đã biết rằng mọi electron đều tồn tại ở một số cấp độ (1, 2, 3, v.v.). Mức này được ký hiệu bằng số n, được gọi là số lượng tử chính. Rõ ràng là số n chỉ có thể nhận các giá trị nguyên. Vì các mức đã được ấn định là số lượng tử chính n, nên một số lượng tử phụ l đã được đưa ra cho các mức bán lại. Nếu số lượng tử chính n là “địa chỉ” của mức, thì số l là “địa chỉ” của mức bán lại: l = 0 là lớp con s, l = 1 là lớp con p, l = 2 là lớp con d, l = 3 là lớp con f. Vấn đề chính . Nó xác định năng lượng của một electron trong nguyên tử hydro và các hệ một electron (He +, Li 2+, v.v.). Trong trường hợp này, năng lượng electron Số lượng tử quỹ đạo l đặc trưng cho hình dạng của các obitan và nhận các giá trị từ 0 đến N- 1. Ngoài số l có chữ cái Các electron có cùng giá trị l tạo thành một cấp lại. Số lượng tử l xác định lượng tử mômen quỹ đạo của một electron trong trường Coulomb đối xứng cầu của hạt nhân. Số lượng tử m l triệu tập từ tính . Nó xác định sự sắp xếp trong không gian của quỹ đạo nguyên tử và nhận các giá trị nguyên từ: lđến + l thông qua số không, đó là 2 l+ 1 giá trị. Vị trí của quỹ đạo được đặc trưng bởi giá trị của hình chiếu của vectơ mômen động lượng của quỹ đạo Mz trên bất kỳ trục tọa độ nào (thường là trục z): Tất cả những điều trên có thể được biểu diễn trong một bảng: Số lượng tử quỹ đạo Số lượng tử từ tính Số obitan với một giá trị cho trước l –2, –1, 0, +1, +2 –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3 Bảng 2.1. Số lượng obitan trong phân chia lại năng lượng. Các quỹ đạo của cùng một cấp độ phân chia lại ( l= const) có cùng năng lượng. Trạng thái như vậy được gọi là suy thoái năng lượng. Cho nên P-orbital - ba lần, d- năm lần, và f bị thoái hóa bảy lần. Các bề mặt ranh giới S-, P-, d-, f- các obitan được thể hiện trong hình. 2.1. S - Quỹ đạođối xứng hình cầu cho bất kỳ N và chỉ khác nhau bởi kích thước của hình cầu. Hình dạng đối xứng cực đại của chúng là do tại l= 0 và μ l = 0. P - Quỹ đạo tồn tại ở N≥ 2 và l= 1, vì vậy có thể có ba hướng trong không gian: m l= -1, 0, +1. Tất cả các obitan p đều có mặt phẳng nút chia quỹ đạo thành hai vùng; do đó, các bề mặt biên có dạng hình quả tạ, được định hướng trong không gian với một góc 90 ° so với nhau. Các trục đối xứng của chúng là trục tọa độ, được biểu thị px, py, pz. d - Quỹ đạođược xác định bởi số lượng tử l = 2 (N≥ 3), tại đó m l= –2, –1, 0, +1, +2, tức là, chúng được đặc trưng bởi năm biến thể của định hướng trong không gian. d-Orbitals được định hướng với các lưỡi dọc theo các trục tọa độ được ký hiệu dz² và d x ²– y² và được định hướng bởi các lưỡi dọc theo đường phân giác phối hợp các góc – dxy, d yz, dxz. Bảy f-ghi nợ tương ứng l = 3 (N≥ 4) được mô tả như các bề mặt biên được thể hiện trong Hình. 2.1. Số lượng tử N, l và m l không đặc trưng đầy đủ trạng thái của electron trong nguyên tử. Thực nghiệm đã chứng minh rằng electron có một đặc tính nữa - spin. Nói một cách đơn giản, spin có thể được biểu diễn như là chuyển động quay của một electron quanh trục của chính nó. Spin số lượng tử bệnh đa xơ cứng chỉ có hai nghĩa bệnh đa xơ cứng= ± 1/2, là hai phép chiếu động lượng góc electron trên trục đã chọn. các điện tử khác nhau bệnh đa xơ cứngđược chỉ định bằng mũi tên lên và xuống. Trong nguyên tử đa điện tử, cũng như trong nguyên tử hiđrô, trạng thái của điện tử được xác định bởi các giá trị của cùng bốn số lượng tử, nhưng trong trường hợp này, điện tử không chỉ ở trong trường của hạt nhân, mà còn ở trong trường của các electron khác. Do đó, năng lượng trong nguyên tử nhiều electron không chỉ được xác định bởi hiệu chính, mà còn bởi số lượng tử quỹ đạo, hay đúng hơn là tổng của chúng: năng lượng của các obitan nguyên tử tăng lên khi tổng tăng N + l; với cùng một số lượng, mức có mức nhỏ hơn sẽ được điền trước N và lớn l. Năng lượng của các obitan nguyên tử tăng dần theo dãy 1S s p s p s ≈ 3 d p s ≈ 4 d p s ≈ 4 f ≈ 5d p s ≈ 5 f ≈ 6d P. Vì vậy, bốn số lượng tử mô tả trạng thái của một electron trong nguyên tử và đặc trưng cho năng lượng của electron, spin của nó, hình dạng của đám mây electron và sự định hướng của nó trong không gian. Khi một nguyên tử chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, đám mây điện tử được tái cấu trúc, nghĩa là, các giá trị của số lượng tử thay đổi, kéo theo sự hấp thụ hoặc phát xạ lượng tử năng lượng của nguyên tử. Số lượng tử là các tham số năng lượng xác định trạng thái của một electron và loại quỹ đạo nguyên tử mà nó nằm trong đó. Số lượng tử là cần thiết để mô tả trạng thái của mỗi electron trong nguyên tử. Chỉ 4 số lượng tử. Đây là: số lượng tử chính -N, l, số lượng tử từ tính -mlvà số lượng tử spin - mS. Số lượng tử chính làN. Số lượng tử chính - n - xác định mức năng lượng của electron, khoảng cách của mức năng lượng từ hạt nhân và kích thước của đám mây electron. Số lượng tử chính nhận bất kỳ giá trị nguyên nào, bắt đầu bằngN=1 (N= 1,2,3,…) và tương ứng với số chu kỳ. Số lượng tử quỹ đạo -l. Số lượng tử quỹ đạo -l- xác định dạng hình học của obitan nguyên tử. Số lượng tử quỹ đạo nhận bất kỳ giá trị nguyên nào, bắt đầu từl=0 (l=0,1,2,3,… N-một). Bất kể số của mức năng lượng, mỗi giá trị của số lượng tử quỹ đạo tương ứng với một quỹ đạo có hình dạng đặc biệt. Một “tập hợp” các obitan như vậy có cùng giá trị của số lượng tử chính được gọi là mức năng lượng. Mỗi giá trị của số lượng tử quỹ đạo tương ứng với một quỹ đạo có hình dạng đặc biệt. Giá trị của số lượng tử quỹ đạol= 0 trận đấuS-vital (loại 1 trong). Giá trị của số lượng tử quỹ đạol= 1 trận đấuP-ghi nợ (3 loại). Giá trị của số lượng tử quỹ đạol= 2 trận đấud-ghi nợ (5 loại). Giá trị của số lượng tử quỹ đạol= 3 trận đấuf-ghi nợ (7 loại). các obitan f có hình dạng thậm chí còn phức tạp hơn. Mỗi loại quỹ đạo là thể tích không gian trong đó xác suất tìm thấy electron là cực đại. Số lượng tử từ - ml. Số lượng tử từ tính - ml - xác định hướng của quỹ đạo trong không gian so với từ trường hoặc điện trường bên ngoài. Số lượng tử từ nhận bất kỳ giá trị nguyên nào từ -l đến + l, bao gồm cả 0. Điều này có nghĩa là đối với mỗi dạng quỹ đạo có 2l + 1 định hướng tương đương về mặt năng lượng trong không gian - obitan. Đối với quỹ đạo s: l = 0, m = 0 - một định hướng tương đương trong không gian (một quỹ đạo). Đối với quỹ đạo p: l = 1, m = -1,0, + 1 - ba định hướng tương đương trong không gian (ba obitan). Đối với quỹ đạo d: l = 2, m = -2, -1,0,1,2 - năm định hướng tương đương trong không gian (năm obitan). Đối với quỹ đạo f: l = 3, m = -3, -2, -1,0,1,2,3 - bảy định hướng tương đương trong không gian (bảy obitan). Số lượng tử spin - ms. Số lượng tử spin - ms - xác định mômen từ xuất hiện khi một electron quay quanh trục của nó. Số lượng tử spin chỉ có thể nhận hai giá trị khả dĩ +1/2 và -1/2. Chúng tương ứng với hai hướng có thể và ngược chiều của mômen từ riêng của electron - spin. Các ký hiệu sau được sử dụng để biểu thị các điện tử có spin khác nhau: 5 và 6 . Số lượng tử đầu tiên N được gọi là số lượng tử chính, nó có thể nhận các giá trị nguyên từ 1 đến vô cùng. Trong nguyên tử hydro, con số này đặc trưng cho năng lượng của electron (trong đơn vị nguyên tử): E (n) \ u003d -ZR / (2 n 2), trong đó Z là điện tích hạt nhân, R = 109678,76 cm -1 là hằng số Rydberg. Số lượng tử thứ hai l gọi là số quỹ đạo. Tại giá trị nhất định n nó có thể nhận các giá trị nguyên từ 0 đến (n-1). Con số l xác định một trong những giá trị có thể có của momen động lượng quỹ đạo của êlectron trong nguyên tử. Con số l xác định hình dạng của quỹ đạo. Mỗi giá trị l khớp với chữ cái (ký hiệu quang phổ): Khi chỉ định trạng thái của một electron (hoặc quỹ đạo), số lượng tử chính được viết trước ký hiệu của số lượng tử quỹ đạo dưới dạng công thức: nl. Ví dụ: 4S N= 4 và l= 0, tức là đám mây electron có hình dạng của một quả bóng; 2P nghĩa là một electron có N= 2and l= 1 (đám mây electron có hình quả tạ), v.v. Số lượng tử thứ ba m l đặc trưng cho sự sắp xếp trong không gian của các obitan . Nó được gọi là từ tính. số lượng tử và xác định giá trị của hình chiếu của mômen động lượng quỹ đạo lên hướng đã chọn (thường là trục z). m l lấy các giá trị nguyên từ - lđến + l. Con số những nghĩa khác nhau m lở một giá trị nhất định l bằng N = (2 l+1). trạng thái s của một electron tương ứng với một quỹ đạo Trạng thái p của một electron tương ứng với ba obitan Trạng thái d của một electron tương ứng với năm obitan Trạng thái f của một electron tương ứng với bảy obitan Do đó, quỹ đạo được đặc trưng bởi một bộ ba số lượng tử: n, l, m. Tổng số các obitan của một mức năng lượng đã cho bằng N = n2. Khi nghiên cứu các tính chất của một electron, cần phải giới thiệu số lượng tử thứ tư, được gọi là số lượng tử spin bệnh đa xơ cứng . Spin của electron đặc trưng cho chuyển động quay của electron quanh trục của chính nó. Sự quay này có thể thuận chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ so với quỹ đạo của electron. Tùy thuộc vào điều này bệnh đa xơ cứng có thể nhận một trong hai giá trị: Spin của điện tử đặc trưng cho chính nó momen xoắnđiện tử. Trong nguyên tử hiđrô, mômen spin của êlectron được thêm vào thời điểm quỹ đạođiện tử. Theo nguyên lý loại trừ Pauli (nhà vật lý Thụy Sĩ, 1925):không có hai electron nào trong nguyên tử có thể có cùng một bộ bốn số lượng tử.Điều này có nghĩa là nếu 2 electron trong nguyên tử có cùng giá trị n, l và m l, thì họ phải có những nghĩa khác nhau bệnh đa xơ cứng . Lưng của họ nên hướng về phía các mặt khác nhau. Mỗi obitan có thể chứa tối đa 2 electron có spin ngược dấu. Hệ quả từ định luật Pauli: số electron tối đa trong một mức gấp đôi bình phương của số lượng tử chính Thứ tự mà các obitan của một lớp con nhất định được lấp đầy tùy thuộc vào Quy tắc của Hund: Tổng số spin của các electron trong một lớp con nhất định phải là cực đại. Nói cách khác, các obitan của một lớp con nhất định được lấp đầy trước tiên bằng một điện tử, sau đó là điện tử thứ hai. Các electron có spin trái dấu trong cùng một quỹ đạo tạo thành đám mây hai electron và tổng spin của chúng bằng không. |
