การแนะนำ
จำนวนเต็มหรือเศษส่วนที่กำหนดค่าที่เป็นไปได้ของปริมาณทางกายภาพที่แสดงถึงระบบควอนตัม (นิวเคลียสของอะตอม, อะตอม, โมเลกุล ฯลฯ ) dep. องค์ประกอบ อนุภาค อนุภาคสมมุติ ควาร์ก และกลูออน
ตัวเลขเชิงปริมาณถูกนำมาใช้เป็นครั้งแรกในวิชาฟิสิกส์เพื่ออธิบายกฎที่พบในเชิงประจักษ์ของ at สเปกตรัม แต่ความหมายของตัวเลขควอนตัมและความแตกต่างที่เกี่ยวข้องของปริมาณทางกายภาพบางอย่างที่แสดงลักษณะพฤติกรรมของอนุภาคขนาดเล็กนั้นถูกเปิดเผยโดยกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น ตามกลศาสตร์ควอนตัม ค่าที่เป็นไปได้ทางกายภาพ ปริมาณจะถูกกำหนดด้วยตัวเอง ค่าของตัวดำเนินการที่เกี่ยวข้อง - ต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่อง ในกรณีหลัง เลขควอนตัมบางตัวเกิดขึ้น (ในความหมายที่แตกต่างออกไปเล็กน้อย บางครั้งเรียกว่า เลขควอนตัม ปริมาณที่สงวนไว้ระหว่างกระบวนการเคลื่อนที่แต่ไม่จำเป็นต้องอยู่ในสเปกตรัมแยกกันของค่าที่เป็นไปได้ เช่น โมเมนตัม หรือพลังงานของอนุภาคที่เคลื่อนที่อย่างอิสระ)
แม่เหล็กรังสีควอนตัม
ตัวเลขควอนตัม
ไฟฟ้าพลศาสตร์ควอนตัม
เลขควอนตัมเป็นพารามิเตอร์พลังงานที่กำหนดสถานะของอิเล็กตรอนและประเภทของวงโคจรของอะตอมที่อิเล็กตรอนนั้นตั้งอยู่ จำเป็นต้องใช้ตัวเลขควอนตัมเพื่ออธิบายสถานะของอิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอม มีตัวเลขควอนตัมทั้งหมด 4 ตัว ได้แก่: เลขควอนตัมหลัก - n, เลขควอนตัมในวงโคจร - l, เลขควอนตัมแม่เหล็ก - ml และเลขควอนตัมหมุน - ms เลขควอนตัมหลักคือ n
เลขควอนตัมหลัก - n - กำหนดระดับพลังงานของอิเล็กตรอน ระยะห่างของระดับพลังงานจากนิวเคลียส และขนาดของเมฆอิเล็กตรอน หมายเลขควอนตัมหลักใช้ค่าจำนวนเต็มใดๆ โดยเริ่มจาก n=1 (n=1,2,3,...) และสอดคล้องกับหมายเลขงวด
เลขควอนตัมในวงโคจร - ลิตร หมายเลขควอนตัมของวงโคจร - l - กำหนดรูปทรงเรขาคณิตของวงโคจรของอะตอม เลขควอนตัมในวงโคจรจะใช้กับค่าจำนวนเต็มใดๆ โดยเริ่มจาก l=0 (l=0,1,2,3,…n-1) ไม่ว่าหมายเลขระดับพลังงานจะเป็นเช่นไร แต่ละค่าของเลขควอนตัมในวงโคจรจะสอดคล้องกับวงโคจรที่มีรูปร่างพิเศษ “เซต” ของออร์บิทัลที่มีค่าเท่ากันของเลขควอนตัมหลักเรียกว่าระดับพลังงาน แต่ละค่าของเลขควอนตัมของวงโคจรสอดคล้องกับวงโคจรที่มีรูปร่างพิเศษ ค่าของเลขควอนตัมของวงโคจร l=0 สอดคล้องกับวงโคจร s (ชนิด 1 นิ้ว) ค่าของเลขควอนตัมของวงโคจร l=1 สอดคล้องกับ p-ออร์บิทัล (3 ประเภท) ค่าของเลขควอนตัมของวงโคจร l=2 สอดคล้องกับ d-ออร์บิทัล (5 ประเภท) ค่าของเลขควอนตัมของวงโคจร l=3 สอดคล้องกับ f-ออร์บิทัล (7 ประเภท)
ตารางที่ 1
f ออร์บิทัลมีรูปร่างที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น ออร์บิทัลแต่ละประเภทคือปริมาตรของอวกาศซึ่งความน่าจะเป็นในการค้นหาอิเล็กตรอนจะสูงสุด
เลขควอนตัมแม่เหล็ก - มล.
หมายเลขควอนตัมแม่เหล็ก - ml - กำหนดการวางแนวของวงโคจรในอวกาศที่สัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้าภายนอก เลขควอนตัมแม่เหล็กใช้ค่าจำนวนเต็มตั้งแต่ -l ถึง +l รวมถึง 0 ด้วย ซึ่งหมายความว่าสำหรับรูปร่างวงโคจรแต่ละรูป จะมีการวางแนวที่เทียบเท่ากันอย่างมีพลัง 2l+1 ในอวกาศวงโคจร
สำหรับวงโคจร:
l=0, m=0 - การวางแนวที่เท่ากันในอวกาศ (หนึ่งวงโคจร)
สำหรับ p-ออร์บิทัล:
l=1, m=-1,0,+1 - ทิศทางที่เท่ากันสามทิศทางในอวกาศ (สามออร์บิทัล)
สำหรับดี-ออร์บิทัล:
l=2, m=-2,-1,0,1,2 - ห้าทิศทางที่เท่ากันในอวกาศ (ห้าออร์บิทัล)
สำหรับวงโคจร f:
l=3, m=-3,-2,-1,0,1,2,3 - ทิศทางที่เทียบเท่ากันเจ็ดทิศทางในอวกาศ (เจ็ดออร์บิทัล)
หมุนหมายเลขควอนตัม - มิลลิวินาที
หมายเลขควอนตัมการหมุน - ms - กำหนดโมเมนต์แม่เหล็กที่เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนหมุนรอบแกนของมัน หมายเลขควอนตัมการหมุนสามารถรับค่าที่เป็นไปได้เพียงสองค่าเท่านั้น: +1/2 และ -1/2 พวกมันสอดคล้องกับสองทิศทางที่เป็นไปได้และตรงกันข้ามของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนเอง - หมุน
พลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัม
(QED) ทฤษฎีควอนตัมของการโต้ตอบระหว่างสนามแม่เหล็กอิเล็กตรอนและอนุภาคที่มีประจุ QED มักถูกเรียกว่าส่วนหนึ่งของควอนตัม ทฤษฎีสนามซึ่งพิจารณาปฏิสัมพันธ์ของสนามอิเล็กตรอน - แม่เหล็กและอิเล็กตรอน - โพซิตรอน สนามแม่เหล็กอิเล็กตรอนในทฤษฎีดังกล่าวปรากฏเป็นสนามเกจ ควอนตัมของสนามนี้คือโฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลนิ่งเป็นศูนย์และสปิน 1 และปฏิสัมพันธ์ขององค์ประกอบทั้งสองเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนโฟตอนเสมือนระหว่างพวกมัน ค่าคงที่ไร้มิติที่แสดงลักษณะความรุนแรงของการโต้ตอบคือค่าคงที่โครงสร้างละเอียด a=e2/ћc»I/137 (แม่นยำยิ่งขึ้น a-1=137.035987(29)) เนื่องจากค่า a มีค่าน้อย วิธีการคำนวณหลักใน QED จึงเป็นทฤษฎีการก่อกวน ซึ่งเป็นการแสดงภาพกราฟิกโดยแผนภาพไฟน์แมน
ความถูกต้องของ QED ได้รับการยืนยันจากการทดลองจำนวนมากตลอดช่วงระยะทาง (พลังงาน) ที่มีอยู่ทั้งหมด ตั้งแต่ระยะจักรวาล - 1,020 ซม. และจนถึงภายในอนุภาค - 10-16 ซม. QED อธิบายกระบวนการต่างๆ เช่น การแผ่รังสีความร้อนของ ร่างกาย, เอฟเฟกต์คอมป์ตัน, เบรมสตราลุง ฯลฯ อย่างไรก็ตาม กระบวนการที่มีลักษณะเฉพาะที่สุดสำหรับ QED คือกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับโพลาไรเซชันสุญญากาศ
ผลแรกที่สังเกตได้จาก QED คือการเปลี่ยนแปลงของระดับพลังงานของ Lamb สิ่งที่เรียกว่าคำนวณด้วยความแม่นยำในการบันทึก แม่เหล็กผิดปกติ ช่วงเวลาอิเล็กทรอนิกส์ แม็ก โมเมนต์คือปริมาณที่กำหนดอันตรกิริยาของอนุภาคที่อยู่นิ่งกับภายนอก แม็ก สนาม. จากควอนตัม ทฤษฎีของอิเล็กตรอนไดแรกเป็นไปตามที่ว่าอิเล็กตรอนจะต้องมีโมเมนต์แม่เหล็กเท่ากับแมกนีตอนบอร์: mB = eћ/2mc (โดยที่ m คือมวลของอิเล็กตรอน) ใน QED การแก้ไขที่ปรากฏในการแสดงออกของพลังงานของการโต้ตอบดังกล่าวจะถูกตีความตามธรรมชาติว่าเป็นผลมาจากการปรากฏของการเติม "สุญญากาศ" ให้กับโมเมนต์แม่เหล็ก สารเติมแต่งเหล่านี้ซึ่งศึกษาตามทฤษฎีครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Yu. Schwinger เรียกว่าโมเมนต์แม่เหล็กที่ผิดปกติ
ค่าที่คำนวณได้ของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน m
ทฤษฎี=เอ็มบี (1+a/2p- 0.328478(a/p)2+1.184175(a/p)3=1.00115965236(28)เอ็มบี
สอดคล้องกับค่าการทดลองที่ดีเยี่ยม: meexp=1.00115965241(21)mB
ลักษณะพิเศษของ QED คือการกระเจิงของแสงด้วยแสง ในอิเล็กโทรไดนามิกส์แบบคลาสสิก ไม่มีเอฟเฟกต์นี้: คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถือว่าไม่มีอันตรกิริยากัน ใน QED ผลลัพธ์จะเกิดขึ้นได้เนื่องจากอิทธิพลของความผันผวนของสุญญากาศอิเล็กตรอน-โพซิตรอน
ในสถานะเริ่มต้นจะมีโฟตอนสองตัว (เส้นหยัก); หนึ่งในนั้นหายไปที่จุดที่ 1 ทำให้เกิดคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอนเสมือน (เส้นทึบ) โฟตอนที่สองที่จุดที่ 2 ถูกดูดกลืนโดยหนึ่งในอนุภาคของคู่นี้ (ในแผนภาพด้านบนคือโพซิตรอน) จากนั้นโฟตอนสุดท้ายจะปรากฏขึ้น: อันหนึ่งเกิดที่จุดที่ 4 โดยอิเล็กตรอนเสมือน และอีกอันเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการทำลายล้างคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอนเสมือนที่จุดที่ 3 ต้องขอบคุณคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอนเสมือน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนจึงปรากฏขึ้น นั่นคือ หลักการของการซ้อนทับของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกละเมิด สิ่งนี้ควรปรากฏชัดในกระบวนการต่างๆ เช่น การกระเจิงของแสงด้วยแสง กระบวนการความน่าจะเป็นที่สูงขึ้นเล็กน้อยของการกระเจิงของโฟตอนโดยสนามไฟฟ้าสถิตภายนอกของนิวเคลียสหนัก กล่าวคือ โดยโฟตอนเสมือน (การกระเจิงของDelbrück) ได้รับการสังเกตจากการทดลอง การแก้ไข "ที่สูงขึ้น" (การแผ่รังสี) ซึ่งคำนวณโดยใช้วิธีการก่อกวนยังปรากฏในกระบวนการกระเจิงของอนุภาคที่มีประจุและในปรากฏการณ์อื่น ๆ อีกด้วย
ผลกระทบ "สุญญากาศ" อีกประเภทหนึ่งที่ทฤษฎีทำนายไว้คือการกำเนิดของพาร์พาร์ติเคิล-แอนติพาร์ติคัลในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วงที่มีความเข้มมาก (ทั้งแบบคงที่และแบบแปรผัน) โดยเฉพาะอย่างยิ่งประเด็นหลังนี้ถูกกล่าวถึงโดยเกี่ยวข้องกับปัญหาทางจักรวาลวิทยาที่เกี่ยวข้องกับระยะแรกของวิวัฒนาการของจักรวาล (การกำเนิดของคู่ในสนามโน้มถ่วงของหลุมดำ)
กระบวนการนี้เป็นตัวอย่างของการเชื่อมโยงฟิสิกส์ของเลปตันและแฮดรอนเข้าด้วยกันอย่างใกล้ชิด ความสำคัญของการวิเคราะห์กระบวนการประเภทนี้เพิ่มขึ้นเป็นพิเศษหลังจากการเกิดขึ้นของการทดลองเกี่ยวกับการชนกันของลำอิเล็กตรอน-โพซิตรอน
(QFT) ควอนตัมเชิงสัมพันธ์ ทฤษฎีฟิสิกส์ ระบบที่มีระดับความอิสระเป็นอนันต์ ตัวอย่างของระบบดังกล่าวคือสนามแม่เหล็กไฟฟ้า สำหรับคำอธิบายที่สมบูรณ์ซึ่ง ณ เวลาใดๆ จำเป็นต้องระบุความแรงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในแต่ละจุดของกระบวนการ กล่าวคือ เพื่อระบุจำนวนอนันต์ของ ปริมาณ ในทางตรงกันข้าม ตำแหน่งของอนุภาคในแต่ละช่วงเวลาถูกกำหนดโดยการระบุพิกัดทั้งสามของมัน
จนถึงขณะนี้ เราได้พิจารณาอนุภาคอิสระที่ไม่มีปฏิกิริยาโต้ตอบ ซึ่งจำนวนอนุภาคนั้นยังคงไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากแสดงได้ง่ายโดยใช้ความสัมพันธ์ (6) ตัวดำเนินการของจำนวนอนุภาค N^(n)=a+na-n สับเปลี่ยนกับตัวดำเนินการพลังงาน?^=S?(p)N^(p) ดังนั้น จำนวนอนุภาคจะต้องคงที่ นั่นคือกระบวนการของการปรากฏตัวของอนุภาคเพิ่มเติมการหายตัวไปและการสลับกันของพวกมันหายไป การพิจารณากระบวนการเหล่านี้จำเป็นต้องรวมปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคด้วย
ปฏิสัมพันธ์ใน CTP
ในพลศาสตร์ไฟฟ้าแบบดั้งเดิม ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคที่มีประจุเกิดขึ้นผ่านสนามแม่เหล็ก: ประจุจะสร้างสนามที่กระทำต่อประจุอื่น ในทฤษฎีควอนตัม ปฏิสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและอนุภาคที่มีประจุดูเหมือนการแผ่รังสีและการดูดซับของส่วนต่างๆ ของโฟตอน และปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคที่มีประจุเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนโฟตอน โดยอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะปล่อยโฟตอนออกมา (ควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์) ซึ่งจากนั้นจะถูกดูดซับโดยอิเล็กตรอนอื่น ภาพปฏิสัมพันธ์ที่คล้ายกันเกิดขึ้นเนื่องจากคุณสมบัติพิเศษของพลศาสตร์ไฟฟ้าเช่น n. ความสมมาตรของเกจ กลไกปฏิสัมพันธ์ที่คล้ายกันนี้ได้รับการยืนยันมากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับวิทยาศาสตร์กายภาพอื่นๆ สาขา อย่างไรก็ตาม อนุภาคอิสระไม่สามารถปล่อยหรือดูดซับควอนตัมได้ ตัวอย่างเช่น ในระบบที่อนุภาคอยู่นิ่ง การแผ่รังสีควอนตัมต้องใช้พลังงานที่จ่ายไปและทำให้มวลของอนุภาคลดลง (เนื่องจากความเท่าเทียมกันของพลังงานและมวล) ซึ่งเป็นไปไม่ได้ เพื่อแก้ไขความขัดแย้งนี้ เราต้องคำนึงว่าอนุภาคที่เป็นปัญหานั้นเป็นควอนตัม วัตถุที่ความสัมพันธ์ D?Dt?ћ มีความไม่แน่นอนอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในพลังงานของอนุภาคตามค่า D? และผลที่ตามมาคือการปล่อยหรือการดูดกลืนควอนตัมเป็นศูนย์ โดยมีเงื่อนไขว่าควอนตัมเหล่านี้มีอยู่ในช่วงเวลา Dt?ћ/D? (บนพื้นฐานของเหตุผลที่คล้ายคลึงกันและข้อเท็จจริงของกองกำลังนิวเคลียร์ระยะสั้นนักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น H. Yukawa ทำนายการมีอยู่ของอนุภาคซึ่งเป็นพาหะของอิทธิพลทางนิวเคลียร์ที่มีมวลประมาณ 200-300 มวลอิเล็กตรอนซึ่งต่อมาถูกค้นพบในการทดลองและ เรียกว่า p-meson) เครื่องกำเนิดและเครื่องขยายเสียงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามปรากฏการณ์ของการแผ่รังสีแบบบังคับ (เหนี่ยวนำ) หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดควอนตัมไมโครเวฟที่เรียกว่า maser (คำย่อของคำภาษาอังกฤษ Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation แปลว่า "การขยายคลื่นไมโครเวฟเนื่องจากการกระตุ้นการปล่อยรังสี") ได้รับการเสนอในปี 1954 โดย Charles Townes (หลักการเดียวกันนี้รองรับเครื่องขยายสัญญาณควอนตัมเชิงแสงและเครื่องกำเนิดเลเซอร์) เนื่องจากความถี่ของการแผ่รังสีที่เอาต์พุตของเครื่องกำเนิดควอนตัมถูกกำหนดโดยระดับพลังงานที่แยกจากกันคงที่อย่างเคร่งครัดของอะตอมหรือโมเลกุลของตัวกลางแอคทีฟที่ใช้ในเครื่องกำเนิดดังกล่าว มีค่าที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำและคงที่
การปล่อยก๊าซธรรมชาติและกระตุ้น
พลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าถูกปล่อยออกมาหรือดูดซับในรูปแบบของ "ส่วนที่แยกจากกัน" ที่เรียกว่าควอนตัมหรือโฟตอน และพลังงานของหนึ่งควอนตัมเท่ากับ hn โดยที่ h คือค่าคงที่ของพลังค์ และ n คือความถี่ของการแผ่รังสี เมื่ออะตอมดูดซับพลังงานควอนตัม มันจะเคลื่อนไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น กล่าวคือ อิเล็กตรอนตัวหนึ่งกระโดดขึ้นสู่วงโคจรไกลจากนิวเคลียส เป็นเรื่องปกติที่จะบอกว่าอะตอมในกรณีนี้จะเข้าสู่สภาวะตื่นเต้น อะตอมที่พบว่าตัวเองอยู่ในสภาวะตื่นเต้นสามารถปล่อยพลังงานที่สะสมไว้ออกมาได้หลายวิธี วิธีหนึ่งที่เป็นไปได้คือปล่อยควอนตัมที่มีความถี่เท่ากันออกมาเองตามธรรมชาติ หลังจากนั้นก็จะกลับสู่สถานะดั้งเดิม
นี่คือกระบวนการของการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง (การแผ่รังสี) ซึ่งแสดงไว้ในแผนภาพในรูป 3 ที่ความถี่สูง เช่น ที่ความยาวคลื่นสั้นซึ่งสอดคล้องกับแสงที่ตามองเห็น การเปล่งแสงที่เกิดขึ้นเองจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก
อะตอมที่ตื่นเต้นซึ่งดูดซับโฟตอนของแสงที่มองเห็นได้ มักจะสูญเสียพลังงานที่ได้รับจากการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองในเวลาไม่ถึงหนึ่งในล้านของวินาที
กระบวนการปล่อยก๊าซธรรมชาติที่ความถี่ต่ำกว่าเกิดความล่าช้า
นอกจากนี้ อะตอมสามารถเข้าสู่สถานะกลางบางสถานะได้ โดยสูญเสียพลังงานเพียงบางส่วนเท่านั้นในรูปของโฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่าที่ปล่อยออกมา
อะตอมไฮโดรเจนมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวและสเปกตรัมการแผ่รังสีของมันค่อนข้างง่าย ในสเปกตรัมการแผ่รังสีของอะตอมขององค์ประกอบอื่น จำนวนเส้นจะมากกว่า แม้กระทั่งก่อนที่จะมีแบบจำลองของบอร์ นักฟิสิกส์เรียนรู้ที่จะแยกแยะเส้นที่มีระยะห่างกันอย่างใกล้ชิดซึ่งมีลักษณะแตกต่างกันในสเปกตรัมดังกล่าวด้วยซ้ำ บางส่วน (แคบมาก) เรียกว่า "คม" (จากภาษาอังกฤษคม) เส้นที่สว่างที่สุดเรียกว่า "หลัก" (จากหลักการภาษาอังกฤษ) สังเกตเห็นเส้นที่กว้างขึ้น - เรียกว่า "เบลอ" (กระจาย) บรรทัดอีกประเภทหนึ่งเรียกว่า “พื้นฐาน” (จากพื้นฐานภาษาอังกฤษ) ตามตัวอักษรตัวแรกของชื่อภาษาอังกฤษ พวกเขาระบุว่ามีเส้น s-, p-, d- และ f-lines ในสเปกตรัมการแผ่รังสี เมื่อสัมพันธ์กับแบบจำลองบอร์ หมายความว่าในสเปกตรัมของอะตอมที่ซับซ้อนมากกว่าไฮโดรเจน ระดับอิเล็กทรอนิกส์ถาวรสามารถประกอบด้วยระดับย่อยที่มีระยะห่างใกล้เคียงกันหลายระดับ:
ระดับย่อย s ตั้งชื่อตามเส้น "คม"
p-sublevel ตั้งชื่อตามบรรทัด “principal”
d-sublevel ตั้งชื่อตามเส้น “diffuse”, “diffuse” ส่วน f-sublevel ตั้งชื่อตามเส้น “fundamental”
การจัดเรียงระดับที่ซับซ้อนจะแสดงในรูปที่ 4 ซึ่งเราทำซ้ำที่นี่อีกครั้ง:
ระดับย่อยของอะตอมทางอิเล็กทรอนิกส์ซับซ้อนกว่าไฮโดรเจน การมีอยู่ของระดับย่อยจะอธิบายที่มาของเส้น "คม" "หลักการ" และ "กระจาย" ในสเปกตรัม ระดับที่สูงขึ้นจะไม่แสดงในรูป
จากการใช้สเปกตรัม พบว่าระดับแรก (n = 1) ไม่มีระดับย่อยใดๆ นอกเหนือจาก s ระดับที่สองประกอบด้วยสองระดับย่อย (s และ p) ระดับที่ 3 - ของสามระดับย่อย (s, p และ d) เป็นต้น ดังที่เราเห็น ระดับย่อยถูกกำหนดด้วยตัวอักษรตัวแรกของชื่อภาษาอังกฤษของบรรทัดที่เกี่ยวข้องในสเปกตรัม ต่อจากนั้น ระดับย่อยที่สูงกว่าเริ่มถูกกำหนดอย่างง่ายๆ โดยใช้อักษรละตินต่อไป: g-sublevel, h-sublevel เป็นต้น
รูปที่ 5 แสดงแผนภาพการเปลี่ยนแปลงพลังงานบางส่วนของอิเล็กตรอนในอะตอมลิเธียม ซึ่งได้จากสเปกตรัมการปล่อยไอร้อนของโลหะนี้
แผนภาพแสดงระดับพลังงานและระดับย่อยของอะตอมลิเธียม ระดับ 1 นั้นต่ำกว่าระดับ 2 มากและไม่พอดีกับขนาดภาพ (ภาพวาดจากหนังสือของ J. Campbell เรื่อง “Modern General Chemistry”, M.: Mir, 1975, vol. 1, p. 109)
สังเกตได้ว่าในรูปที่ 5 ระดับย่อยบางระดับประกอบด้วย "ชั้นวาง" หลายชั้นที่มีพลังงานเท่ากัน ตัวอย่างเช่น ระดับย่อย p ประกอบด้วยสามส่วนของพลังงานที่เท่ากัน ระดับย่อย d - จากห้าระดับ และระดับย่อย f - จากเจ็ด คุณรู้เรื่องนี้ได้อย่างไร? ย้อนกลับไปในปี พ.ศ. 2439 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน P. Zeeman ได้วางอุปกรณ์ที่คล้ายกับหลอดไฮโดรเจน แต่เต็มไปด้วยไอโซเดียมร้อนในสนามแม่เหล็กแรง พบว่าในสนามแม่เหล็ก จำนวนเส้นในสเปกตรัมการแผ่รังสีเพิ่มขึ้น (เอฟเฟกต์ซีแมน) ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันนี้พบได้ในสนามไฟฟ้าแรงสูง ตราบใดที่แรงภายในของนิวเคลียสเท่านั้นที่กระทำต่ออิเล็กตรอน บางส่วนก็สามารถอยู่ในสถานะที่มีพลังงานเท่ากันได้ แต่เมื่อสนามภายนอกเพิ่มเติมปรากฏขึ้น พลังงานนี้จะไม่สามารถคงอยู่เหมือนเดิมได้อีกต่อไป การวิเคราะห์สเปกตรัมของ Zeeman ในเวลาต่อมาได้นำนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี โวล์ฟกัง เพาลี ไปสู่แนวคิดที่ว่าอิเล็กตรอนไม่เกินสองตัวสามารถบรรจุลงใน "ชั้น" พลังงานเดียวได้ และเพื่อที่จะทนต่อแรงผลักอันทรงพลังได้ อิเล็กตรอนดังกล่าวจะต้องมีการหมุนที่แตกต่างกัน (เราจะกลับสู่คุณสมบัตินี้ในภายหลังเล็กน้อย) ปรากฎว่าอะตอมไม่สามารถมีอิเล็กตรอนสองตัวอยู่ในสถานะเดียวกันได้ ข้อสรุปนี้เรียกว่าหลักการของเปาลี (หรือการยกเว้น)
การทดลองทางกายภาพทำให้สามารถระบุจำนวนประชากรอิเล็กตรอนของระดับและระดับย่อยได้ ในการทำเช่นนี้จำเป็นต้องวัดพลังงานไอออไนเซชันของอะตอมเช่น พลังงานในการกำจัดอิเล็กตรอนออกจากมัน ขั้นแรก ให้วัดพลังงานที่ต้องใช้ในการดึงอิเล็กตรอนตัวแรกออกจากอะตอม จากนั้นจึงวัดพลังงานที่ 2, 3 เป็นต้น ปรากฎว่าอะตอมทั้งหมดมีอิเล็กตรอนซึ่งมีพลังงานไอออไนเซชันใกล้เคียงกัน ตัวอย่างเช่น สำหรับอาร์กอน (เปลือกอิเล็กตรอนมี 18 อิเล็กตรอน) จะพบกลุ่มดังกล่าวห้ากลุ่มที่มีพลังงานไอออไนเซชันคล้ายกัน มีอิเล็กตรอน 2, 2, 6, 2 และ 6 ตัว แต่ระดับพลังงานต่ำสุด 5 ระดับของอะตอมนั้นสอดคล้องกับระดับย่อย 1s, 2s, 2p, 3s และ 3p (ซึ่งทราบจากสเปกตรัมการปล่อยก๊าซ) ในกรณีนี้ ระดับย่อย s ควรประกอบด้วยวงโคจรเดียวเท่านั้น (มี 2 อิเล็กตรอน) ระดับย่อย p ควรประกอบด้วยสามวงโคจร (มีอิเล็กตรอน 6 ตัว - สองวงสำหรับแต่ละวงโคจร) จะเห็นได้ว่าระดับย่อย d ภายใต้สภาวะปกติ (โดยไม่มีสนามภายนอก) ประกอบด้วยออร์บิทัล 5 วงที่มีพลังงานเท่ากัน และระดับย่อย f ประกอบด้วย 7 วง
แบบจำลองของบอร์ได้รับการขัดเกลาอย่างค่อยเป็นค่อยไป นักวิทยาศาสตร์สนใจสิ่งนี้เพราะสามารถใช้เพื่อคำนวณได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น คุณสามารถคำนวณพลังงานของอะตอมไฮโดรเจนในพื้นดินและสถานะที่ตื่นเต้น กำหนดรัศมี คำนวณพลังงานไอออไนเซชัน ฯลฯ เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ แบบจำลองได้ติดตั้งเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่ชัดเจนและเข้าใจได้สำหรับนักวิจัยหลายคน ซึ่งได้รับการพัฒนาโดย N. Bohr เองและผู้ติดตามของเขา A. Sommerfeld เป็นหลัก ในการคำนวณจำเป็นต้องอธิบายสถานะของอิเล็กตรอนในอะตอมเช่น ระบุ "ที่อยู่" ที่แน่นอนในเปลือกอิเล็กตรอน (แม่นยำยิ่งขึ้นในแบบจำลองเปลือกอิเล็กตรอน) โดยใช้สิ่งที่เรียกว่าตัวเลขควอนตัม เรารู้อยู่แล้วว่าอิเล็กตรอนทุกตัวมีอยู่ในระดับหนึ่ง (1, 2, 3 เป็นต้น) ระดับนี้กำหนดโดยตัวเลข n ซึ่งเรียกว่าเลขควอนตัมหลัก เห็นได้ชัดว่าตัวเลข n รับได้เฉพาะค่าจำนวนเต็มเท่านั้น
เนื่องจากระดับต่างๆ ได้รับการกำหนดหมายเลขควอนตัมหลัก n แล้ว จึงมีการใช้หมายเลขควอนตัมเสริม l สำหรับระดับย่อย หากเลขควอนตัมหลัก n คือ “ที่อยู่” ของระดับ ดังนั้นตัวเลข l ก็คือ “ที่อยู่” ของระดับย่อย:
l = 0 คือระดับย่อย s, l = 1 คือระดับย่อย p, l = 2 คือระดับย่อย d, l = 3 คือระดับย่อย f
คำอธิบายทางกลควอนตัมของอิเล็กตรอนในอะตอม
ทฤษฎีของบอร์ทำให้สามารถคำนวณความถี่ในสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนและระบบอิเล็กตรอนเดี่ยวอื่นๆ ได้อย่างแม่นยำ เช่น ไอออน เช่น ฮีเลียม ลิเธียม และเบริลเลียม
อย่างไรก็ตาม เมื่อย้ายไปยังระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนมากขึ้น - ระบบหลายอิเล็กตรอน - ทฤษฎีของ Bohr กลับกลายเป็นว่าไม่เพียงพอ
ดังนั้นจึงจำเป็นต้องสร้างทฤษฎีทั่วไปขึ้นซึ่งเรียกว่า กลศาสตร์ควอนตัมทฤษฎีนี้อธิบายพฤติกรรมของวัตถุไมโครเวิลด์ (เช่น อิเล็กตรอน)
ในปี พ.ศ. 2466-2470 ได้มีการกำหนดหลักการพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัมขึ้น
ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมประกอบด้วยบทบัญญัติหลักสองบท
1. อิเล็กตรอนมีลักษณะเป็นคู่ มีคุณสมบัติเป็นทั้งอนุภาคและคลื่นในเวลาเดียวกัน อิเล็กตรอนมีมวลและประจุเป็นอนุภาค แต่การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนั้นเป็นกระบวนการคลื่น อิเล็กตรอนมีลักษณะเฉพาะด้วยปรากฏการณ์การเลี้ยวเบน (การไหลของอิเล็กตรอนโค้งงอรอบสิ่งกีดขวาง)
2. ตำแหน่งของอิเล็กตรอนในอะตอมไม่แน่นอน ซึ่งหมายความว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดทั้งความเร็วของอิเล็กตรอนและพิกัดในอวกาศได้อย่างแม่นยำพร้อมกัน
อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากสามารถอยู่ในส่วนใดก็ได้ของพื้นที่รอบนิวเคลียส และตำแหน่งต่างๆ ที่เกิดขึ้นทันทีนั้นก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า เมฆอิเล็กตรอนด้วยความหนาแน่นประจุลบไม่สม่ำเสมอ(การวาดภาพ). รูปร่างและขนาดของเมฆอิเล็กตรอนอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับพลังงานของอิเล็กตรอน
สำหรับลักษณะทางเคมีขององค์ประกอบซึ่งถูกกำหนดโดยสถานะของอิเล็กตรอนในเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมของมัน เช่นเดียวกับการอธิบายพันธะที่อะตอมขององค์ประกอบที่กำหนดสามารถก่อตัวขึ้นกับอะตอมอื่นได้ จำเป็นต้องรู้:
- พลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม (แม่นยำยิ่งขึ้นคือพลังงานของระบบที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนนี้ อิเล็กตรอนอื่น และนิวเคลียส
- รูปร่างของเมฆอิเล็กตรอนที่เกิดจากอิเล็กตรอนที่กำหนด
สถานะของอิเล็กตรอนในอะตอมมีลักษณะเป็นชุดของตัวเลขควอนตัมสี่ชุด
ตามพลังงาน อิเล็กตรอนในอะตอมมีการกระจายตาม ระดับพลังงานและระดับย่อย
4.2.1. เลขควอนตัมหลัก (ป) กำหนดลักษณะระดับพลังงานและกำหนดขนาดของเมฆอิเล็กตรอน เช่น ระยะทางเฉลี่ยของอิเล็กตรอนจากนิวเคลียส ยอมรับค่าจำนวนเต็ม 1, 2, 3, ..., พีซึ่งตรงกับเลขระดับพลังงาน ยิ่ง พียิ่งพลังงานอิเล็กตรอนสูงเท่าไร พลังงานขั้นต่ำก็จะสอดคล้องกับระดับแรก (ป= 1).
4.2.2 วงโคจรหรือ หมายเลขควอนตัมด้านข้าง(ล)กำหนดลักษณะระดับย่อยของพลังงานและกำหนดรูปร่างของเมฆอิเล็กตรอน ยอมรับค่าจำนวนเต็มตั้งแต่ 0 ถึง (ป- 1). ความหมายมักจะระบุด้วยตัวอักษร:
ล = 0 1 2 3
จำนวนค่าที่เป็นไปได้ ลสอดคล้องกับจำนวนระดับย่อยที่เป็นไปได้ในระดับที่กำหนด เท่ากับจำนวนระดับ (ป)
ที่ ป= 1 ล= 0 (1 ค่า)
ป= 2 ล= 0.1 (2 ค่า)
ป = 3 ล= 0, 1, 2 (3 ค่า)
น= 4 ล= 0, 1, 2, 3 (4 ค่า)
พลังงานของอิเล็กตรอนในระดับย่อยที่ต่างกันในระดับเดียวกันจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับ ลดังนี้: สำหรับแต่ละค่า ลสอดคล้องกับรูปร่างหนึ่งของเมฆอิเล็กตรอน: s - ทรงกลม ร -รูปสามมิติที่แปด d f - ดอกกุหลาบสี่กลีบสามมิติหรือรูปร่างที่ซับซ้อนมากขึ้น (รูปที่)
ตารางที่ 1.1 – รูปร่างของเมฆอิเล็กตรอน
โครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม
เพิ่มเติม
หลัก
1. Tyukavkina N.A., Baukov Yu.I. เคมีชีวภาพ. ม.; แพทยศาสตร์, 2534.
2. “คำแนะนำชั้นเรียนห้องปฏิบัติการเคมีชีวอินทรีย์” เรียบเรียงโดย Tyukavkina N.A., M.; แพทยศาสตร์ 2534 3. Potapov V.M. , ทาทารินชิก S.N. เคมีอินทรีย์.
ม. "เคมี" 2532
1. Ovchinnikov Yu.A. เคมีชีวภาพ. ม.;
การตรัสรู้ 2530
2. Riles A., Smith K., Ward R. พื้นฐานเคมีอินทรีย์
(สำหรับนักศึกษาสาขาวิชาชีววิทยาและการแพทย์)
ม.; โลก 1983
3. Morison R. , Boyd R. เคมีอินทรีย์. เอ็ม มีร์ 1974
พื้นฐานของทฤษฎีโครงสร้างอะตอมสมัยใหม่คือกฎและข้อกำหนดของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดเล็ก (อิเล็กตรอน โปรตอน และอนุภาคอื่นๆ ที่มีมวลเล็กน้อย)
ตามแนวคิดทางกลควอนตัม วัตถุขนาดเล็กที่กำลังเคลื่อนที่มีลักษณะสองประการ คือ พวกมันเป็นอนุภาค แต่พวกมันก็มีธรรมชาติของการเคลื่อนที่เหมือนคลื่น กล่าวคือ วัตถุขนาดเล็กมีพร้อมกัน กล้ามเนื้อและคลื่น คุณสมบัติ.
เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ของอนุภาคขนาดเล็ก แนวทางความน่าจะเป็น , เช่น. ไม่ใช่ตำแหน่งที่แน่นอนที่กำหนด แต่เป็นความน่าจะเป็นที่จะอยู่ในพื้นที่หนึ่งหรืออีกพื้นที่หนึ่งของปริภูมินิวเคลียร์
สถานะ (ในกลศาสตร์ควอนตัม คำพ้องสำหรับคำว่า "การเคลื่อนที่") ของอิเล็กตรอนในอะตอมอธิบายได้โดยใช้แบบจำลองเชิงกลของควอนตัม - เมฆอิเล็กตรอน คลาวด์อิเล็กทรอนิกส์ แสดงให้เห็นภาพความน่าจะเป็นของอิเล็กตรอนที่เหลืออยู่ในแต่ละส่วนของวงโคจรของอิเล็กตรอน ภายใต้ วงโคจรของอิเล็กตรอน จำเป็นต้องเข้าใจขอบเขตของอวกาศโดยที่มีความน่าจะเป็นระดับหนึ่ง (ประมาณ 90-95%) การปรากฏตัวของอิเล็กตรอนได้ วงโคจรของอิเล็กตรอนของอิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมเรียกว่า วงโคจรของอะตอม (AO) ในโมเลกุล- วงโคจรโมเลกุล (MO) - คำอธิบายที่สมบูรณ์เกี่ยวกับสถานะของเมฆอิเล็กตรอนดำเนินการโดยใช้สมการชโรดิงเงอร์ การแก้สมการนี้คือ คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของวงโคจรเป็นไปได้สำหรับค่าที่ไม่ต่อเนื่อง (ไม่ต่อเนื่อง) บางค่าเท่านั้น ตัวเลขควอนตัม
วงโคจร ลิตร(ln)
แม่เหล็กหมายเลขควอนตัม ม. ( ม.ล.)
สปินหมายเลขควอนตัม ข้อความ)
หลักเลขควอนตัม (n) กำหนดพลังงานสำรองพื้นฐานของอิเล็กตรอน เช่น ระดับระยะห่างจากนิวเคลียสหรือขนาดของเมฆอิเล็กตรอน (ออร์บิทัล) ยอมรับค่าจำนวนเต็มใดๆ โดยเริ่มจากค่าหนึ่ง สำหรับอะตอมที่มีอยู่จริงในสถานะพื้น n = 1÷7
สถานะของอิเล็กตรอนซึ่งมีค่ากำหนดของ n เรียกว่า ระดับพลังงาน อิเล็กตรอนในอะตอม อิเล็กตรอนที่มีค่า n เท่ากัน ชั้นอิเล็กทรอนิกส์ (เปลือกอิเล็กทรอนิกส์ ) ซึ่งสามารถกำหนดได้ทั้งตัวเลขและตัวอักษร
ค่าไม่มี…………………………….1 2 3 4 5 6 7
การกำหนดเลเยอร์อิเล็กทรอนิกส์…….K L M N O P Q
ค่าพลังงานต่ำสุดสอดคล้องกับ n = 1 และอิเล็กตรอนที่มี n = 1 จะก่อตัวเป็นชั้นอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้กับนิวเคลียสของอะตอมมากที่สุด โดยพวกมันจะเกาะติดกับนิวเคลียสแน่นยิ่งขึ้น
วงโคจร(ด้านหรืออะซิมุธาล) เลขควอนตัม ล กำหนดโมเมนตัมเชิงมุมของการโคจรของอิเล็กตรอนและกำหนดลักษณะรูปร่างของเมฆอิเล็กตรอน สามารถรับค่าจำนวนเต็มได้ตั้งแต่ 0 ถึง (n-1) สำหรับอะตอมที่มีอยู่จริงในสถานะพื้น ลรับค่า 0,1,2 และ 3
แต่ละค่า ลสอดคล้องกับวงโคจรที่มีรูปร่างพิเศษ ที่ ล=0 ออร์บิทัลของอะตอม โดยไม่คำนึงถึงค่าของเลขควอนตัมหลัก จะมีรูปร่างเป็นทรงกลม (S-ออร์บิทัล) ความหมาย ล.=1สอดคล้องกับวงโคจรของอะตอมที่มีรูปร่างเหมือนดัมเบล (p-orbital) d- และ f-orbitals มีรูปร่างที่ซับซ้อนมากขึ้น ( ล=2, ล=3).
ให้กับแต่ละคน n สอดคล้องกับค่าจำนวนหนึ่งของจำนวนควอนตัมของวงโคจรเช่น ระดับพลังงานคือชุดของระดับย่อยพลังงาน จำนวนระดับย่อยพลังงานของแต่ละเลเยอร์อิเล็กทรอนิกส์จะเท่ากับจำนวนเลเยอร์ กล่าวคือ ค่าของเลขควอนตัมหลัก ดังนั้นระดับพลังงานแรก (n=1) จึงสอดคล้องกับระดับย่อยหนึ่งระดับ ที่สอง (n=2) – สองระดับย่อย s และ p; ที่สาม (n=3) – สามระดับย่อย s, p, d; ที่สี่ (n=4) – สี่ระดับย่อย s, p, d, f
ดังนั้นระดับย่อยของพลังงานจึงเป็นสถานะของอิเล็กตรอนในอะตอมซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยตัวเลขควอนตัมชุดหนึ่ง n และ ล. สถานะของอิเล็กตรอนนี้สอดคล้องกับค่าบางอย่าง n และ ล (ประเภทของวงโคจร) เขียนเป็นการรวมกันของการกำหนดดิจิทัล n และตัวอักษร ลเช่น 4p (n = 4; ล= 1); 5d (น = 5; ล = 2).
ตารางที่ 1
ความสอดคล้องกันระหว่างสัญกรณ์ของจำนวนควอนตัมของวงโคจรและระดับย่อย
แม่เหล็กหมายเลขควอนตัมจะกำหนดค่าของการฉายภาพโมเมนตัมเชิงมุมของการโคจรของอิเล็กตรอนไปยังแกนที่เลือกโดยพลการเช่น แสดงลักษณะการวางแนวเชิงพื้นที่ของเมฆอิเล็กตรอน ยอมรับค่าจำนวนเต็มทั้งหมดจาก – ลถึง + ลรวมถึงค่า 0
ใช่เมื่อ ล=0 ม.=0. ซึ่งหมายความว่าวงโคจร S มีทิศทางเดียวกันสัมพันธ์กับแกนพิกัดทั้งสาม ที่ ล=1 m สามารถรับค่าได้สามค่า: -1; 0; +1. ซึ่งหมายความว่าอาจมี p-ออร์บิทัลได้ 3 ตัวที่มีการวางแนวตามแกนพิกัด x, y, z
ค่าใดก็ได้ ล สอดคล้องกัน (2ล+1) ค่าของเลขควอนตัมแม่เหล็กเช่น - 2ล+ 1) ตำแหน่งที่เป็นไปได้ของเมฆอิเล็กตรอนประเภทที่กำหนดในอวกาศ S – state สอดคล้องกับ 2×0 + 1 = 1 หนึ่งวงโคจร, p-state 2×1 + 1 = 3 สามวงโคจร, d-state 2×2 + 1 = 5 ห้าวงโคจร, f-state 2×3 + 1 = 7 เจ็ดวงโคจร ฯลฯ
สถานะของอิเล็กตรอนในอะตอมซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยค่าหนึ่งของตัวเลขควอนตัม n ล, ม. เช่น เรียกว่ามิติ รูปร่าง และการวางแนวในอวกาศของเมฆอิเล็กตรอน วงโคจรอิเล็กตรอนของอะตอม .
สปินเลขควอนตัม S(m s) แสดงถึงโมเมนต์เชิงกลของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับการหมุนรอบแกนของมัน มีเพียงสองความหมาย + และ –
ดังนั้น เมื่อสรุปผลข้างต้นแล้ว เราก็สามารถวาดบล็อกไดอะแกรมของ "เลขควอนตัม" ได้ (ตารางที่ 2)
ตารางที่ 2.บล็อกไดอะแกรม "ตัวเลขควอนตัม"
| หมายเลขควอนตัม | ชื่อ | ความหมายทางกายภาพ | ค่าอะไรทำ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| n(th) | เลขควอนตัมหลัก | กำหนดพลังงานสำรองทั้งหมดและขนาดของออร์บิทัลของอิเล็กตรอน กำหนดลักษณะระดับพลังงาน | nÎN (ตามทฤษฎี) n 1 2 3 4 5 6 7 K L M N O P Q (ในทางปฏิบัติ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ล(เบียร์) | เลขควอนตัมวงโคจร (อะซิมุธาล) | กำหนดรูปร่างของวงโคจรของอะตอมและกำหนดลักษณะของระดับย่อยของพลังงาน | ลÎ (ตามทฤษฎี) ล 0 1 2 3 sp d f (ในทางปฏิบัติ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ม ล(เอม) | เลขควอนตัมแม่เหล็ก | แสดงการวางแนวของเมฆอิเล็กตรอนในอวกาศ | จาก –l ถึง +l จำนวนเต็มทั้งหมด รวมถึงศูนย์ที่ ล=3
-3 -2 -1 0 +1 +2 +3
พฤติกรรมของอิเล็กตรอนในอะตอมอยู่ภายใต้หลักการกีดกัน ว. เพาลี: ไม่สามารถมีอิเล็กตรอนสองตัวในอะตอมที่มีตัวเลขควอนตัมทั้งสี่เท่ากันได้ ตามหลักการของ Pauli ในวงโคจรหนึ่งที่มีลักษณะเฉพาะด้วยค่าหนึ่งของตัวเลขควอนตัม n ลและ m สามารถมีได้หนึ่งอิเล็กตรอนหรือสองตัว แต่ค่าของ s ต่างกัน วงโคจรที่มีอิเล็กตรอนสองตัวซึ่งมีการหมุนตรงข้ามกัน (เซลล์ควอนตัม) สามารถแสดงแผนผังได้ดังนี้ สามารถมีอิเล็กตรอนได้สูงสุด 2n 2 อิเล็กตรอนในชั้นอิเล็กทรอนิกส์หนึ่งชั้น ซึ่งเรียกว่าความจุของชั้นอิเล็กทรอนิกส์ ตารางที่ 3 แสดงค่าของตัวเลขควอนตัมสำหรับสถานะอิเล็กตรอนต่างๆ และยังระบุจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดที่สามารถอยู่ในระดับพลังงานเฉพาะและระดับย่อยในอะตอมได้ ตารางที่ 3. สถานะควอนตัมของอิเล็กตรอน ความจุของระดับพลังงานและระดับย่อย การจัดเรียงอิเล็กตรอนในชั้นและออร์บิทัลแสดงให้เห็นในรูปแบบนี้ การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ - ในกรณีนี้อิเล็กตรอนจะถูกวางตาม หลักการของพลังงานขั้นต่ำ : สถานะที่เสถียรที่สุดของอิเล็กตรอนในอะตอมสอดคล้องกับค่าพลังงานขั้นต่ำที่เป็นไปได้ การนำหลักการนี้ไปปฏิบัติโดยเฉพาะสะท้อนให้เห็นโดยหลักการของเปาลี (ดูหน้า 8) กฎ Hunda, และ กฎของ Klechkovsky กฎของฮันด์:ภายในระดับย่อยพลังงาน อิเล็กตรอนจะถูกจัดเรียงเพื่อให้สปินรวมสูงสุด. กฎของเคลชคอฟสกี้: วงโคจรจะเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนตามลำดับพลังงานที่เพิ่มขึ้นซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยผลรวม (n + l) ยิ่งไปกว่านั้น หากผลรวม (n + l) ของออร์บิทัลสองอันที่ต่างกันเท่ากัน ออร์บิทัลนั้นก็จะเต็มเร็วขึ้น, ซึ่งมีเลขควอนตัมหลักน้อยกว่า ดูตารางที่ 4 สำหรับลำดับของการเติมระดับย่อยพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ในอะตอม ตารางที่ 4. ลำดับการเติมออร์บิทัลด้วยผลรวมของเลขควอนตัมหลักและรอง (n + ล).
|
ตัวเลขควอนตัมและโครงสร้างเล็กๆ น้อยๆ ของสเปกตรัม
เลขควอนตัมหลักปหมายถึงจำนวนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม ค่าตัวเลขควอนตัมหลัก ป= 1 สอดคล้องกับสถานะพื้นของอิเล็กตรอนที่มีพลังงานน้อยที่สุด เลขควอนตัมหลัก ปอธิบายเฉพาะวงโคจรทรงกลม (บอร์) ถ้า...(พื้นฐานทางกายภาพของทฤษฎีสเปกโทรสโกปีแบบออปติคัลและเอ็กซ์เรย์)
ประสบการณ์ของบาร์เน็ตต์ การทดลองของไอน์สไตน์และเดอ ฮาส ประสบการณ์ของสเติร์นและเกอร์ลัค สปิน จำนวนควอนตัมของโมเมนต์การโคจรและการหมุน
เป็นที่ทราบกันดีว่าการทำให้เป็นแม่เหล็กของสารในสนามแม่เหล็กนั้นเกิดจากการปฐมนิเทศพิเศษหรือการเหนี่ยวนำในสนามแม่เหล็กภายนอกของกระแสโมเลกุลด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปตามวงโคจรด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบปิดภายในแต่ละโมเลกุล (อะตอม) เพื่อคุณภาพ...(ฟิสิกส์ ทัศนศาสตร์ ฟิสิกส์ควอนตัม โครงสร้างและคุณสมบัติทางกายภาพของสสาร)
แบบจำลองเชิงกลควอนตัมของอะตอมไฮโดรเจน (ผลลัพธ์ของการแก้สมการชโรดิงเงอร์) เลขควอนตัมของอะตอมไฮโดรเจน
กลศาสตร์ควอนตัม โดยไม่อ้างถึงสมมุติฐานของบอร์ ทำให้สามารถหาวิธีแก้ปัญหาระดับพลังงานสำหรับอะตอมไฮโดรเจนและระบบคล้ายไฮโดรเจน และสำหรับอะตอมที่ซับซ้อนมากขึ้นได้ เราจะพิจารณาอะตอมคล้ายไฮโดรเจนที่มีอิเล็กตรอนภายนอกเพียงตัวเดียว สนามไฟฟ้าสร้าง...(ฟิสิกส์ ทัศนศาสตร์ ฟิสิกส์ควอนตัม โครงสร้างและคุณสมบัติทางกายภาพของสสาร)
ฟังก์ชันคลื่นที่เป็นคำตอบของสมการชโรดิงเงอร์เรียกว่าฟังก์ชันคลื่น วงโคจร- เพื่อแก้สมการนี้ จึงมีการแนะนำตัวเลขควอนตัมสามตัว ( n, ลและ ม ล )
เลขควอนตัมหลักn. มันกำหนดพลังงานของอิเล็กตรอนและขนาดของเมฆอิเล็กตรอน พลังงานของอิเล็กตรอนส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับระยะห่างของอิเล็กตรอนจากนิวเคลียส ยิ่งอิเล็กตรอนอยู่ใกล้นิวเคลียสมากเท่าใด พลังงานก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ดังนั้นเราจึงบอกได้ว่าเลขควอนตัมหลัก nการกำหนด
กำหนดตำแหน่งของอิเล็กตรอนในระดับพลังงานเฉพาะ เลขควอนตัมหลักมีค่าเป็นจำนวนเต็มจาก 1 ก่อน ∞ - เมื่อเลขควอนตัมหลักเท่ากับ 1 (n = 1 ) อิเล็กตรอนจะอยู่ที่ระดับพลังงานแรก ซึ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสน้อยที่สุด พลังงานรวมของอิเล็กตรอนดังกล่าวมีค่าต่ำที่สุด
อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานที่ไกลจากนิวเคลียสมากที่สุดจะมีพลังงานสูงสุด ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากระดับพลังงานที่ไกลกว่าไปยังระดับพลังงานที่ใกล้กว่า พลังงานจะถูกปล่อยออกมา ระดับพลังงานจะแสดงด้วยตัวพิมพ์ใหญ่ตามแผนภาพ:
ความหมาย ไม่มี…. 1 2 3 4 5
การกำหนด เค แอล เอ็ม เอ็น คิว
เลขควอนตัมวงโคจรล . ตามการคำนวณทางกลควอนตัม เมฆอิเล็กตรอนแตกต่างกันไม่เพียงแต่ขนาดเท่านั้น แต่ยังมีรูปร่างด้วย รูปร่างของเมฆอิเล็กตรอนมีลักษณะเป็นเลขควอนตัมการโคจรหรือด้านข้าง รูปร่างที่แตกต่างกันของเมฆอิเล็กตรอนจะกำหนดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิเล็กตรอนภายในระดับพลังงานเดียว กล่าวคือ มันแตกออกเป็นระดับย่อยพลังงาน แต่ละรูปร่างของเมฆอิเล็กตรอนสอดคล้องกับค่าหนึ่งของโมเมนตัมเชิงกลของอิเล็กตรอน กำหนดโดยเลขควอนตัมของวงโคจร:
รูปร่างหนึ่งของเมฆอิเล็กตรอนสอดคล้องกับค่าเฉพาะของโมเมนตัมเชิงมุมในวงโคจรของอิเล็กตรอน . เพราะ สามารถรับเฉพาะค่าที่ไม่ต่อเนื่องที่กำหนดโดยเลขควอนตัมเท่านั้น ลดังนั้นรูปร่างของเมฆอิเล็กตรอนจึงไม่สามารถกำหนดได้ตามอำเภอใจ: สำหรับแต่ละค่าที่เป็นไปได้ ลสอดคล้องกับรูปร่างที่เฉพาะเจาะจงมากของเมฆอิเล็กตรอน
ข้าว. 5. การตีความโมเมนต์การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแบบกราฟิก โดยที่ 
μ
- โมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร
การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน
เลขควอนตัมของวงโคจรอาจมีตั้งแต่ 0 ก่อน n - 1 , ทั้งหมด n– ค่านิยม
ระดับย่อยของพลังงานระบุด้วยตัวอักษร:
ความหมาย ล 0 1 2 3 4
การกำหนด ส พี ง ฉ ก
เลขควอนตัมแม่เหล็กม ล . จากการแก้สมการชโรดิงเงอร์ พบว่าเมฆอิเล็กตรอนมีทิศทางในอวกาศในลักษณะใดลักษณะหนึ่ง การวางแนวเชิงพื้นที่ของเมฆอิเล็กตรอนมีลักษณะเฉพาะด้วยเลขควอนตัมแม่เหล็ก
เลขควอนตัมแม่เหล็กสามารถรับค่าจำนวนเต็มใดก็ได้ ทั้งบวกและลบ โดยมีตั้งแต่ – ลถึง + ลและรวมแล้วจำนวนนี้ก็รับได้ (2ลิตร+1)ค่าสำหรับที่กำหนด ลรวมถึงศูนย์ด้วย ตัวอย่างเช่น ถ้า ล. = 1จากนั้นค่าที่เป็นไปได้สามค่า ม (–1,0,+1) โมเมนต์การโคจร , เป็นเวกเตอร์ที่มีขนาดเป็นปริมาณและกำหนดโดยค่า ล- จากสมการชโรดิงเงอร์ ไม่เพียงแต่ปริมาณเท่านั้น µ แต่ทิศทางของเวกเตอร์นี้ซึ่งแสดงลักษณะการวางแนวเชิงพื้นที่ของเมฆอิเล็กตรอนนั้นจะถูกหาปริมาณ แต่ละทิศทางของเวกเตอร์ที่กำหนด
ความยาวสอดคล้องกับค่าที่แน่นอนของการฉายภาพบนแกน zซึ่งแสดงลักษณะทิศทางที่แน่นอนของสนามแม่เหล็กภายนอก ค่าของการฉายภาพนี้เป็นลักษณะเฉพาะ ม ล .
การหมุนของอิเล็กตรอนจากการศึกษาสเปกตรัมของอะตอมพบว่ามีเลขควอนตัมสามตัว n, ลและ ม ล ไม่ใช่คำอธิบายที่สมบูรณ์เกี่ยวกับพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในอะตอม ด้วยการพัฒนาวิธีการวิจัยสเปกตรัมและความละเอียดของอุปกรณ์สเปกตรัมที่เพิ่มขึ้น ทำให้ค้นพบโครงสร้างเล็กๆ น้อยๆ ของสเปกตรัม ปรากฎว่าเส้นสเปกตรัมถูกแยกออกจากกัน เพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้ จึงมีการแนะนำเลขควอนตัมตัวที่สี่ซึ่งเกี่ยวข้องกับพฤติกรรมของอิเล็กตรอนเอง ชื่อหมายเลขควอนตัมนี้ หมุนมีการกำหนด ม สและรับเพียงสองค่าเท่านั้น +½ และ –½ ขึ้นอยู่กับหนึ่งในสองทิศทางที่เป็นไปได้ของการหมุนของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็ก ค่าการหมุนที่เป็นบวกและลบสัมพันธ์กับทิศทางของมัน เพราะว่า หมุนเนื่องจากปริมาณเป็นเวกเตอร์จึงแสดงด้วยลูกศรชี้ขึ้นหรือลงตามอัตภาพ ↓ เรียกว่าอิเล็กตรอนที่มีทิศทางการหมุนเหมือนกัน ขนาน,สำหรับค่าการหมุนที่ตรงกันข้าม – ตรงกันข้าม
การมีอยู่ของการหมุนในอิเล็กตรอนได้รับการพิสูจน์โดยการทดลองในปี พ.ศ. 2464 โดย W. Gerlach และ O. Stern ซึ่งสามารถแบ่งลำอะตอมไฮโดรเจนออกเป็นสองส่วนที่สอดคล้องกับการวางแนวของการหมุนของอิเล็กตรอน การออกแบบการทดลองแสดงไว้ในรูปที่ 1 6. เมื่ออะตอมไฮโดรเจนบินผ่านบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กแรง อิเล็กตรอนของแต่ละอะตอมจะมีปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็ก และทำให้อะตอมเบี่ยงเบนไปจากเส้นทางตรงเดิม ทิศทางที่อะตอมเบี่ยงเบนขึ้นอยู่กับการวางแนวของสปิน ของอิเล็กตรอนของมัน การหมุนของอิเล็กตรอนไม่ได้ขึ้นอยู่กับสภาวะภายนอกและไม่สามารถทำลายหรือเปลี่ยนแปลงได้
ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นที่ยอมรับในที่สุดว่าสถานะทั้งหมดของอิเล็กตรอนในอะตอมมีลักษณะเฉพาะด้วยเลขควอนตัมสี่ตัว n, ล, ม ล . และ ม ส ,
ข้าว. 6. แผนการทดลองสเติร์น-เกอร์ลัค