Wat zijn kwantumnummers?
In het heersende theoretische model van het atoom zijn er vier kwantumgetallen die het gedrag van elektronen beschrijven. Deze omvatten de hoofd-, azimutale, magnetische en spin-kwantumgetallen. Samen geven deze vier getallen de kwantumtoestand van een elektron. Een kwantumtoestand is de verzameling wiskundige informatie die nodig is om een bepaald systeem van materie en energie, zoals een atoom, volledig te beschrijven. Geen twee elektronen kunnen dezelfde vier kwantumgetallen delen, volgens het Pauli-uitsluitingsprincipe van de kwantummechanica.
De eerste van de kwantumgetallen wordt het belangrijkste kwantumgetal genoemd. Dit getal, dat elk positief geheel getal kan zijn dat begint met 1, verwijst naar de afstand van de baan van een elektron tot de atoomkern. In tegenstelling tot planetaire banen, zijn elektronen echter niet vrij om op enige afstand rond te draaien. Integendeel, ze zijn beperkt tot een baan op discrete energieniveaus, of quanta - een centraal principe van de kwantummechanica. Vergelijkbaar met planetaire banen, daarentegen, bezitten elektronen die verder van de kern cirkelen hogere kinetische energie.
Het azimutale kwantumgetal geeft het hoekmomentum van de atomaire baan van een elektron aan. Dit getal vertelt iets over de vorm van de baan van een elektron rond de kern. Elektronen kunnen in min of meer bolvormige zwermen rond de kern cirkelen, of ze kunnen gecompliceerder gedrag vertonen. Het idee van een elektron als een vast deeltje rond de kern is echter niet correct. Het onzekerheidsprincipe van de kwantummechanica stelt dat de positie van een elektron fundamenteel een kwestie van waarschijnlijkheid is.
Voortbouwend op de andere kwantumgetallen, vertelt het magnetische kwantumgetal iets over de oriëntatie van de baan van een elektron in de ruimte. Deze eigenschap werd voor het eerst ontdekt toen wetenschappers gassen aan magnetische velden blootstelden en vervolgens de manier observeerden waarop ze met licht in wisselwerking stonden. Het magnetische kwantumgetal is ook gerelateerd aan de energieniveaus van een atoombaan.
Ten slotte geeft het spin-kwantumnummer een van de twee spin-toestanden van een elektron aan. Terwijl de hoofd- en azimutale kwantumgetallen onderscheid maken tussen verschillende orbitale posities van een elektron, kan het spin-kwantumgetal onderscheid maken tussen twee elektronen in een overigens identieke kwantumtoestand. Als twee elektronen in hetzelfde atoom dezelfde drie vorige kwantumgetallen hebben, moeten hun spin-kwantumgetallen verschillend zijn. Elektronspin is niet precies hetzelfde gevoel van "spin" dat vaak wordt gedacht, maar het is een mate van vrijheid voor een elektron. Het kan een van twee mogelijke waarden aannemen: -1/2 of +1/2.