Was sind Quantenzahlen?
Im vorherrschenden theoretischen Modell des Atoms gibt es vier Quantenzahlen, die das Verhalten von Elektronen beschreiben. Dazu gehören die Haupt-, Azimut-, Magnet- und Spinquantenzahlen. Zusammen ergeben diese vier Zahlen den Quantenzustand eines Elektrons. Ein Quantenzustand ist die Menge mathematischer Informationen, die erforderlich sind, um ein bestimmtes System von Materie und Energie, beispielsweise ein Atom, vollständig zu beschreiben. Nach dem Pauli-Ausschlussprinzip der Quantenmechanik können sich keine zwei Elektronen die gleichen vier Quantenzahlen teilen.
Die erste der Quantenzahlen wird als Hauptquantenzahl bezeichnet. Diese Zahl, die jede positive ganze Zahl sein kann, die mit 1 beginnt, bezieht sich auf die Entfernung der Umlaufbahn eines Elektrons vom Atomkern. Im Gegensatz zu Planetenbahnen können Elektronen jedoch in keiner Entfernung frei kreisen. Sie sind vielmehr auf die Umlaufbahn mit diskreten Energieniveaus oder Quanten beschränkt - ein zentraler Grundsatz der Quantenmechanik. Ähnlich wie Planetenbahnen besitzen Elektronen, die weiter vom Kern entfernt umkreisen, eine höhere kinetische Energie.
Die azimutale Quantenzahl bezeichnet den Drehimpuls des Atomorbitals eines Elektrons. Diese Zahl sagt etwas über die Form einer Elektronenbahn um den Kern aus. Elektronen können in mehr oder weniger kugelförmigen Schwärmen um den Kern kreisen oder komplizierteres Verhalten zeigen. Die Vorstellung eines Elektrons als festes Teilchen, das den Kern umkreist, ist jedoch nicht richtig. Das Unsicherheitsprinzip der Quantenmechanik besagt, dass die Position eines Elektrons grundsätzlich eine Frage der Wahrscheinlichkeit ist.
Aufbauend auf den anderen Quantenzahlen sagt die magnetische Quantenzahl etwas über die Orientierung des Orbitals eines Elektrons im Raum aus. Diese Eigenschaft wurde erstmals entdeckt, als Wissenschaftler Gase Magnetfeldern aussetzten und dann beobachteten, wie sie mit Licht wechselwirkten. Die magnetische Quantenzahl hängt auch mit den Energieniveaus eines Atomorbitals zusammen.
Schließlich gibt die Spinquantenzahl einen von zwei Spinzuständen eines Elektrons an. Während die Haupt- und die Azimutquantenzahl zwischen verschiedenen Orbitalpositionen eines Elektrons unterscheiden, kann die Spinquantenzahl zwischen zwei Elektronen in einem ansonsten identischen Quantenzustand unterscheiden. Wenn zwei Elektronen im gleichen Atom die gleichen drei vorherigen Quantenzahlen haben, müssen sich ihre Spinquantenzahlen unterscheiden. Elektronenspin ist nicht genau derselbe Sinn von „Spin“, der allgemein angenommen wird, aber es ist ein Freiheitsgrad für ein Elektron. Es kann einen von zwei möglichen Werten annehmen: -1/2 oder +1/2.