Cosa sono i numeri quantici?
Nel modello teorico prevalente dell'atomo, ci sono quattro numeri quantici che descrivono il comportamento degli elettroni. Questi includono i numeri quantici principali, azimutali, magnetici e di spin. Insieme, questi quattro numeri danno lo stato quantico di un elettrone. Uno stato quantico è l'insieme di informazioni matematiche necessarie per descrivere completamente un determinato sistema di materia ed energia, come un atomo. Nessun due elettroni possono condividere gli stessi quattro numeri quantici, secondo il principio di esclusione di Pauli della meccanica quantistica.
Il primo dei numeri quantici è chiamato il numero quantico principale. Questo numero, che può essere qualsiasi numero intero positivo che inizia con 1, si riferisce alla distanza dell'orbita di un elettrone dal nucleo atomico. A differenza delle orbite planetarie, tuttavia, gli elettroni non sono liberi di orbitare a nessuna distanza. Piuttosto, sono limitati a orbitare a livelli di energia discreti, o quanti - un principio centrale della meccanica quantistica. Simile alle orbite planetarie, d'altra parte, gli elettroni che orbitano più lontano dal nucleo possiedono una maggiore energia cinetica.
Il numero quantico azimutale indica il momento angolare dell'orbitale atomico di un elettrone. Questo numero dice qualcosa sulla forma dell'orbita di un elettrone attorno al nucleo. Gli elettroni possono orbitare in sciami più o meno sferici attorno al nucleo, oppure possono presentare comportamenti più complicati. L'idea di un elettrone come particella solida in orbita attorno al nucleo, tuttavia, non è corretta. Il principio di incertezza della meccanica quantistica afferma che la posizione di un elettrone è fondamentalmente una questione di probabilità.
Basandosi sugli altri numeri quantici, il numero quantico magnetico dice qualcosa sull'orientamento dell'orbitale di un elettrone nello spazio. Questa proprietà è stata scoperta per la prima volta quando gli scienziati hanno esposto i gas ai campi magnetici e poi osservato il modo in cui interagivano con la luce. Il numero quantico magnetico è anche correlato ai livelli di energia di un orbitale atomico.
Infine, il numero quantico di spin specifica uno dei due stati di spin di un elettrone. Mentre i numeri quantici principali e azimutali distinguono tra diverse posizioni orbitali di un elettrone, il numero quantico di spin può distinguere tra due elettroni in uno stato quantico altrimenti identico. Se due elettroni nello stesso atomo hanno gli stessi tre numeri quantici precedenti, i loro numeri quantici di spin devono essere diversi. Lo spin elettronico non è esattamente lo stesso senso di "spin" comunemente pensato, ma è un grado di libertà per un elettrone. Può assumere uno dei due valori possibili: -1/2 o +1/2.