Главное квантовое число

2.4.1 Главное квантовое число

Атом химического элемента представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное находящимися возле него отрицательно заряженными электронами. Ядро содержит в себе практически всю массу атома, а электронные оболочки определяют условный размер атома.

Электрон (обозначается $e$, величина его электрического заряда в кулонах обозначается так же) является микрочастицей, поэтому для описания его состояния необходимо использовать законы квантовой механики. Одним из фундаментальных принципов квантовой механики является принцип квантования, который заключается в том, что фундаментальные физические величины являются квантованными, т.е. могут принимать только некоторые определённые значения. Если в классической физике любая величина может принимать какое угодно значение, то в квантовой физике она может принимать только значения из определённого набора.

Например, известно, что энергия электрона в атоме пропорциональна величине

$$E_n \sim -\frac{1}{n^{2}}$$

где $n$ – некоторое число, принимающее значения из ряда $n = (1, 2, 3, 4, \ldots, \infty)$.

Число $n$ называют главным квантовым числом, это число в основном определяет энергию электрона в атоме. Энергия электронов в атомах любых химических элементов зависит, в основном, от главного квантового числа.

Значения энергии электрона, соответствующие каждому квантовому числу, называют энергетическими уровнями. Например, если электрон находится на уровне, соответствующему главному квантовому числу $n = 1$, то говорят, что электрон находится на первом энергетическом уровне. Например, для атома водорода, эти уровни выглядят так:

Энергетические уровни водорода

Поскольку энергия пропорциональна

$\displaystyle \frac{1}{n^{2}}$

то с ростом $n$ разница между энергетическими уровнями быстро уменьшается и при достаточно больших $n$ быстро стремится к нулю, что физически означает отрыв электрона от атома.

В атоме может существовать множество электронов с одинаковым значением главного квантового числа, при этом число электронов, которые могут заселять электронную оболочку с главным квантовым числом $n$ равно

$N = 2n^2 $

Таким образом, на первом энергетическом уровне максимально могут располагаться всего

$ 2 \cdot 1^2 = 2 $

электрона, на втором

$ 2 \cdot 2^2 = 8 $

и т.д.

Кроме главного квантового числа $n$ существует ещё три других квантовых числа:

$l$ – орбитальное;
$m_l$ – магнитное;
$m_s$ – спиновое.

Каждое из квантовых чисел характеризует определённое свойство электрона и при помощи набора всех четырёх квантовых чисел можно полностью описать состояние электрона в атоме.

Назад Далее