Jakie są liczby kwantowe?
W dominującym modelu teoretycznym atomu istnieją cztery liczby kwantowe, które opisują zachowanie elektronów. Należą do nich liczby zasadnicze, azymutalne, magnetyczne i spinowe. Te cztery liczby razem dają stan kwantowy elektronu. Stan kwantowy to zbiór informacji matematycznych wymaganych do pełnego opisu pewnego układu materii i energii, takiego jak atom. Żadne dwa elektrony nie mogą dzielić tych samych czterech liczb kwantowych, zgodnie z zasadą wykluczenia Pauliego w mechanice kwantowej.
Pierwsza z liczb kwantowych nazywana jest główną liczbą kwantową. Liczba ta, która może być dowolną liczbą całkowitą dodatnią rozpoczynającą się od 1, odnosi się do odległości orbity elektronu od jądra atomowego. Jednak w przeciwieństwie do orbit planetarnych elektrony nie mogą swobodnie krążyć na żadnej odległości. Są raczej ograniczone do orbitowania na dyskretnych poziomach energii lub kwantach - centralnym założeniu mechaniki kwantowej. Z drugiej strony, podobnie jak orbity planet, elektrony krążące dalej od jądra mają wyższą energię kinetyczną.
Azymutalna liczba kwantowa oznacza moment pędu na orbicie atomowej elektronu. Ta liczba mówi coś o kształcie orbity elektronu wokół jądra. Elektrony mogą krążyć w mniej więcej sferycznych rojach wokół jądra lub mogą wykazywać bardziej skomplikowane zachowanie. Idea elektronu jako cząstki stałej krążącej wokół jądra jest jednak nieprawidłowa. Zasada nieoznaczoności mechaniki kwantowej stwierdza, że pozycja elektronu jest zasadniczo kwestią prawdopodobieństwa.
Opierając się na innych liczbach kwantowych, magnetyczna liczba kwantowa mówi coś o orientacji orbity elektronu w przestrzeni. Właściwość tę odkryto po raz pierwszy, gdy naukowcy wystawili gazy na działanie pól magnetycznych, a następnie obserwowali sposób, w jaki oddziałują ze światłem. Magnetyczna liczba kwantowa jest również związana z poziomami energii na orbicie atomowej.
Na koniec liczba spinowa określa jeden z dwóch stanów spinowych elektronu. Podczas gdy główna i azymutalna liczba kwantowa rozróżnia różne pozycje orbitalne elektronu, spinowa liczba kwantowa może rozróżniać dwa elektrony w innym identycznym stanie kwantowym. Jeśli dwa elektrony w tym samym atomie mają te same trzy poprzednie liczby kwantowe, ich spinowe liczby kwantowe muszą być różne. Spin elektronu nie jest dokładnie takim samym pojęciem „spin”, jak się powszechnie uważa, ale dla elektronu jest to jeden stopień swobody. Może przyjmować jedną z dwóch możliwych wartości: -1/2 lub +1/2.