Квантове число

Квантове число
Досліджується в	квантова фізика і квантова механіка

Ква́нтове число́ — індекс, який приписується стану квантової системи для його ідентифікації. Здебільшого квантові числа мають додаткове фізичне значення. Фізичний стан може характеризуватися не одним, а кількома квантовими числами. Натуральне число, що характеризує певний стан квантової системи: енергію, форму або орієнтацію орбіталі, спін частинки. Може бути додатним або від'ємним, цілим або напівцілим числом (у випадку спіну).

Класифікація

Стан електронів у елементарному атомі водню визначається чотирма квантовими числами:

• Головним (n), що дорівнює кількості енергетичних рівнів в атомі, вказує на можливості запасти енергію. Можливі 7 енергетичних рівнів, від 1 до 7. Співвідноситься з періодом у таблиці хімічних елементів.
• Орбітальним (l), що вказує на кількість можливих енергетичних підрівнів і форму електронних орбіталей. l=0, 1, 2, ... (n-1). Можливі 5 форм орбіталей: s, p, d, f, g.
• Магнітним (m), що вказує на кількість енергетичних комірок на кожному енергетичному підрівні. m=-l, ... 0, ... +l; m=2l+l
• Спіновим (s), що вказує на внутрішню симетрію електронів в кожній комірці (напрямок обертання). Може приймати значення +1/2 та -1/2.

У кристалічному твердому тілі одноелектронні стани характеризуються такими квантовими числами:

• номером зони
• квазіімпульсом
• спіном

Приклади

Пікоскопічні зображення незв’язаних валентних електронів в атомі вуглецю (а) та кремнію(b) в аморфному стані.

Згідно з моделлю Бора 1913 року, електрони в атомі обертаються як по кругових, так і по еліптичних орбітах. Еліптичні орбіти пояснюють наявність тонкої спектральної структури.

Електронні хмарки в атомах мають різний вигляд залежно від квантових чисел, яки характеризують кожен електрон. Так, в незв'язаному атомі вуглецю (а аморфному стані) два внутрішніх електрона мають квантові числа 1s² та утворюють рожеві кругові орбіталі з атомним остовом (He). А чотири зовнішні електрони мають квантові числа 2s, 2p_-1, 2p₀, 2p₊₁ та утворюють витягнуті еліпси зеленого кольору. В атомі кремнію квантові числа поводяться аналогічно. А саме, десять внутрішніх електронів мають квантові числа 1s², 2s², 2p⁶ та утворюють кругові орбіталі з атомним остовом (Ne) рожевого кольору (відповідно до шкали щільностей). А чотири зовнішні електрони мають квантові числа 3s, 3p_-1, 3p₀, 3p₊₁ та утворюють витягнуті еліпси зеленого кольору. Кругові внутрішні орбіталі та витягнуті еліптичні орбіталі зовнішніх електронів відповідають еліптичній теорії Н. Бора.

Правила відбору і закони збереження

У фізичних процесах квантові системи переходять із одного стану в інший. При цьому квантові числа змінюються. Проте, існують обмеження на зміну квантових чисел, які в атомній фізиці називають правилами відбору.

Відповідно, елементарні частинки у фізиці елементарних частинок характеризують певними квантовими числами: парністю, ароматами тощо. Обмеження на зміни цих квантових чисел у різноманітних процесах накладають закони збереження.

Див. також

• Стаціонарне рівняння Шредінгера
• Власне значення
• Азимутальне квантове число
• Повне квантове число

Джерела

• Білий М. У., Охріменко Б. А. Атомна фізика. — К. : Знання, 2009. — 559 с.
• Федорченко А. М. Квантова механіка, термодинаміка і статистична фізика // Теоретична фізика. — К. : Вища школа, 1993. — Т. 2. — 415 с.(укр.)
• Юхновський І. Р. (2002). Основи квантової механіки (PDF). Київ: Либідь. с. 392.(укр.)