Что такое квантовые числа в химии

Квантовые числа — это четыре величины, которые вместе однозначно описывают состояние электрона в атоме: его энергетический уровень, форму орбитали, её пространственную ориентацию и направление спина. Каждому электрону в атоме соответствует свой уникальный набор из этих четырёх чисел, и повторить его не может ни один другой электрон того же атома. Что такое квантовые числа в химии, определяет строгий порядок значений: главное число задаёт уровень, орбитальное — подуровень, магнитное — ориентацию орбитали, а спиновое — направление вращения электрона.

$0 \le l \le n-1$

Разбор по случаям

Примеры

Электрон на уровне n = 3. Для электрона с главным числом $n = 3$ орбитальное число принимает значения $l = 0, 1, 2$ по правилу $0 \le l \le n-1$, то есть на этом энергетическом уровне возможны s-, p- и d-орбитали одновременно. Для $l = 2$ магнитное число принимает пять значений $m_l = -2, -1, 0, 1, 2$, что даёт ровно пять различных d-орбиталей на третьем энергетическом уровне атома.

Электронная пара на одной орбитали. Два электрона одной s-орбитали имеют одинаковые числа $n$, $l$ и $m_l$, потому что находятся на одной и той же орбитали атома, но различаются спиновыми числами: у одного $m_s = +\frac{1}{2}$, у другого $m_s = -\frac{1}{2}$. Так принцип Паули разрешает двум электронам занимать одну орбиталь только при условии противоположных спинов.

Частые ошибки

• Считают, что орбитальное число может равняться главному, забывая ограничение l от 0 до n минус 1.
• Путают магнитное квантовое число с числом орбиталей на подуровне, хотя оно задаёт лишь одну ориентацию.
• Приписывают спиновому числу произвольные значения вместо единственно возможных плюс и минус одна вторая.

Коротко

Что такое квантовые числа в химии, определяет набор из четырёх взаимосвязанных величин: главного, орбитального, магнитного и спинового. Вместе они однозначно задают энергию, форму, ориентацию орбитали и направление спина каждого электрона в атоме.