Que sont les nombres quantiques?
Dans le modèle théorique dominant de l'atome, quatre nombres quantiques décrivent le comportement des électrons. Ceux-ci comprennent les nombres quantiques principal, azimutal, magnétique et de spin. Ensemble, ces quatre nombres donnent l'état quantique d'un électron. Un état quantique est l'ensemble des informations mathématiques nécessaires pour décrire complètement un certain système de matière et d'énergie, tel qu'un atome. Selon le principe d'exclusion de Pauli de la mécanique quantique, deux électrons ne peuvent pas partager les mêmes quatre nombres quantiques.
Le premier des nombres quantiques est appelé le nombre quantique principal. Ce nombre, qui peut être n'importe quel entier positif commençant par 1, fait référence à la distance de l'orbite d'un électron au noyau de l'atome. Contrairement aux orbites planétaires, cependant, les électrons ne sont libres d’orbiter à aucune distance. Ils sont plutôt confinés sur orbite à des niveaux d’énergie discrets, ou quanta, principe fondamental de la mécanique quantique. Comme pour les orbites planétaires, les électrons en orbite plus éloignés du noyau possèdent une énergie cinétique plus élevée.
Le nombre quantique azimutal signifie le moment angulaire de l'orbitale atomique d'un électron. Ce nombre indique quelque chose sur la forme de l'orbite d'un électron autour du noyau. Les électrons peuvent graviter autour d'essaims en essaims plus ou moins sphériques ou présenter un comportement plus compliqué. L'idée d'un électron en tant que particule solide en orbite autour du noyau n'est toutefois pas correcte. Le principe d'incertitude de la mécanique quantique stipule que la position d'un électron est fondamentalement une question de probabilité.
S'appuyant sur les autres nombres quantiques, le nombre quantique magnétique donne des indications sur l'orientation de l'orbitale d'un électron dans l'espace. Cette propriété a été découverte lorsque des scientifiques ont exposé des gaz à des champs magnétiques et ont ensuite observé la manière dont ils interagissaient avec la lumière. Le nombre quantique magnétique est également lié aux niveaux d'énergie d'une orbitale atomique.
Enfin, le nombre quantique de spin spécifie l'un des deux états de spin d'un électron. Alors que les nombres quantiques principal et azimutal distinguent différentes positions orbitales d'un électron, le nombre quantique de spin peut distinguer deux électrons dans un état quantique par ailleurs identique. Si deux électrons du même atome ont les trois mêmes nombres quantiques précédents, leurs nombres quantiques de spin doivent être différents. Le spin électronique n’est pas exactement le même sens de «spin» auquel on pense généralement, mais c’est un degré de liberté pour un électron. Il peut prendre l'une des deux valeurs possibles: -1/2 ou +1/2.