เลขควอนตัม: S, P, D และ F ออร์บิทัลและโมเมนตัมเชิงมุม

อะตอม ประกอบด้วยนิวเคลียส ประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอน และอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส วิถีโคจรที่อิเล็กตรอนอธิบาย สถานที่ในช่องว่างของอะตอมที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่านไป ถือเป็นลักษณะพื้นฐานในปฏิกิริยาเคมีและในโครงสร้างอะตอมและโมเลกุลที่พวกมันประกอบขึ้น สถานที่ในอวกาศของอะตอมที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่คือออร์บิทัล ออร์บิทัลที่ง่ายที่สุดคือออร์บิทัลของอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวที่อะตอมของไฮโดรเจนมี ซึ่งเป็นทรงกลม แต่เนื่องจากองค์ประกอบมีจำนวนอิเล็กตรอนมากขึ้น ออร์บิทัลที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่านจึงซับซ้อนขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งถึงกรณีของยูเรเนียมซึ่งมีอิเล็กตรอน 92 ตัว ซึ่งเป็นธาตุธรรมชาติที่มีจำนวนอิเล็กตรอนมากที่สุด

กลศาสตร์ควอนตัมและอิเล็กตรอนในอะตอม

รูปร่างของออร์บิทัลและคุณสมบัติอื่นๆ ของอิเล็กตรอนของอะตอมได้รับการอธิบายโดยกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งระบุว่าพารามิเตอร์ทางกายภาพ เช่น พลังงานและตำแหน่งมีค่าที่แน่นอน พวกมันไม่ใช่พารามิเตอร์ที่ต่อเนื่องกันเหมือนในกลศาสตร์แบบดั้งเดิม ซึ่งพวกมันสามารถมีค่าใดๆ ก็ได้ ดังนั้น พลังงานของอิเล็กตรอน เช่นเดียวกับตำแหน่งที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่านไปในอวกาศของอะตอม จะมีค่าที่กำหนดไว้ได้เท่านั้น

พลังงานและ ตำแหน่งของอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมอธิบายได้ด้วยฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าฟังก์ชันคลื่นซึ่งเป็นคำตอบของสมการชโรดิงเงอร์ ฟังก์ชันนี้แสดงถึงความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนจะอยู่ในตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง ณ ช่วงเวลาหนึ่ง และตอนนี้เรากำลังพูดถึงความน่าจะเป็นเพราะกลศาสตร์ควอนตัมยังกำหนดว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะระบุพารามิเตอร์ทางกายภาพของอนุภาคอย่างอิเล็กตรอนเช่น พลังงานและเวลา หรือตำแหน่งและโมเมนตัม (ปริมาณการเคลื่อนที่: ผลคูณของมวล) คูณความเร็ว) ของอนุภาค

เลขควอนตัม

ฟังก์ชันที่แสดงถึงความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนสามารถอยู่ในตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง ณ ช่วงเวลาหนึ่งเป็นผลคูณของฟังก์ชันสี่อย่าง: สามอย่างที่เกี่ยวข้องกับตำแหน่งของอิเล็กตรอน (อันหนึ่งขึ้นอยู่กับระยะห่างจากนิวเคลียสของอะตอม และอีกสองอันขึ้นอยู่กับระยะห่างจากนิวเคลียสของอะตอมและอีกสองอัน ขึ้นอยู่กับพิกัดเชิงมุมของมัน) และส่วนที่เหลือเกี่ยวข้องกับการหมุนของอิเล็กตรอน ฟังก์ชันเหล่านี้รวมถึงสิ่งที่เรียกว่าเลขควอนตัมซึ่งมีสี่ตัว:

• หมายเลข ควอนตั มหลักnเกี่ยวข้องกับพลังงานของอิเล็กตรอนและมีค่าเป็นจำนวนเต็มบวก
• หมายเลขควอนตัมแอซิมัททัลlซึ่งสัมพันธ์กับโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอน (โมเมนตัมเชิงมุม: ผลคูณของมวลคูณความเร็วรอบการหมุน) ที่แสดงเป็นตัวอักษร sสำหรับl = 0; pสำหรับl =1, dสำหรับl =2, fสำหรับl =3 ศัพท์เฉพาะของตัวเลขlที่มีตัวอักษรมีจุดเริ่มต้นมาจากการศึกษาสเปกตรัมของโลหะอัลคาไล ซึ่งเส้นสเปกตรัมถูกจัดกลุ่มตามชื่อในภาษาอังกฤษเป็น ชาร์ป ( กำหนดไว้อย่างดีs ) หลัก (หลักp ), กระจาย (กระจาย, d ) และพื้นฐาน (พื้นฐาน, ฉ )
• ที่สามคือเลขควอนตัมคือแม่เหล็กmหรือml _{ที่เกี่ยวข้อง} กับการวาง แนวของโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอน การแปรผันของเลขควอนตัมนี้ทำให้เกิดการแจกแจงแบบโลบาร์ห้าแบบขององค์ประกอบที่มีออร์บิทัล 3 มิติดังที่แสดงในรูป การกระจายตัวของอิเล็กตรอนนี้มีความสำคัญมาก เนื่องจากสอดคล้องกับองค์ประกอบต่างๆ ที่ประกอบเป็นวัสดุต่างๆ ในชีวิตประจำวันของเรา เช่น โครเมียม โคบอลต์ ทองแดง เหล็ก นิกเกิล แมงกานีส สแกนเดียม ไททาเนียม และวาเนเดียม ในกรณีของ ระดับsหมายเลขควอนตัมแม่เหล็กm _lอนุญาตเฉพาะวงโคจรทรงกลมเท่านั้น (ดูรูป); ใน ระดับ pอนุญาตให้มีวงโคจรได้สามรูปแบบ และในระดับfอนุญาตให้มีวงโคจรได้ 7 รูปแบบ

หมายเลขควอนตัมตัวที่สี่คือm _sการหมุนของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับการหมุนของมัน

โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม

โครงสร้างของอิเล็กตรอนของแต่ละองค์ประกอบถูกสร้างขึ้นตามความก้าวหน้าของเลขควอนตัม ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของแต่ละองค์ประกอบ ความคืบหน้าเป็นดังนี้ (จำนวนเต็มคือเลขควอนตัมหลักnและตัวอักษรคือเลขควอนตัมแนวราบl ):

1 วินาที , 2 วินาที , 2 p , 3 วินาที, 3 p , 4 วินาที , 3 ง , 4 p , 5 วินาที , 4 ง , 5 p , 6 วินาที , 4 f , 5 d , 6 p , 7 วินาที, 5 f

นอกจากนี้ จะต้องพิจารณาว่าแต่ละออร์บิทัลสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุด 2 ตัวโดยมีสปิน ตรงข้าม ดังนั้น ระดับ sสามารถมีอิเล็กตรอนได้สูงสุด 2 ตัว ระดับp ซึ่งมี 3 วงโคจร _{ที่อนุญาต}โดยเลขควอนตัมแม่เหล็กมล . สามารถมีอิเล็กตรอนได้สูงสุด 6 ตัว dเชลล์ ซึ่งมี 5 ออร์บิทัลที่อนุญาต (ดูรูป) สามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุด 10 ตัว และ fเชลล์ซึ่งมี 7 ออร์บิทัลที่อนุญาต สามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุด 14 ตัว

ตามเกณฑ์นี้ ไฮโดรเจน (H) ซึ่งมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวจะมีโครงสร้าง 1 s ¹โดยที่ตัวยก 1 ระบุว่ามีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวในออ ร์บิทัล 1 s ฮีเลียม (He) ที่มีอิเล็กตรอน 2 ตัว จะมีโครงสร้าง 1 s ² (อิเล็กตรอน 2 ตัวใน ออร์บิทัล s ) ลิเธียม (Li) ที่มีอิเล็กตรอน 3 ตัว จะมีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ 1 s ² 2 s ¹ . และอื่น ๆ ตัวอย่างเช่น เหล็ก (Fe) ซึ่งมีอิเล็กตรอน 26 ตัว จะมีโครงสร้างแบบอิเล็กทรอนิกส์ 1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p⁶ 3 ง⁶ 4 วินาที² ; อิเล็กตรอนแต่ละตัวใน 26 ตัวของธาตุเหล็กผ่านวงโคจรที่กำหนดโดยโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์นี้

บันทึก

ต้องคำนึงถึงว่าแม้ว่าคำว่าออร์บิทัลจะแนะนำแนวคิดของ “ออร์บิทัล” แต่จริงๆ แล้ว อิเล็กตรอนและแม้จะมีแบบจำลองอะตอมเริ่มต้น ก็ไม่ได้เคลื่อนที่ไปรอบนิวเคลียสที่ส่งออร์บิทัล แต่เป็นการ “เคลื่อนผ่าน” จากออร์บิทัลหนึ่งไปยังอีกออร์บิทัล . เมื่ออะตอมมีมากกว่าหนึ่งอะตอม พวกมันยังคงอยู่ในออร์บิทัลเดียวของอะตอม (ในกรณีของไฮโดรเจนและฮีเลียม) หรือไม่ก็ไปที่ออร์บิทัลร่วมกันโดยอะตอมที่สร้างพันธะเคมีโควาเลนต์

แหล่งที่มา

E. Pavarini, E. Koch, F. Anders และ M. Jarrell ทฤษฎี Crystal-Field วิธีการมัดแน่น และ Jahn-Teller Effect อิเล็กตรอนที่สัมพันธ์กัน: จากแบบจำลองไปจนถึงการสร้างแบบจำลองและการจำลองวัสดุ เล่มที่ 2 Forschungszentrum Jülich, 2012, ISBN 978-3-89336-796-2

JJ Murrell, SFA Kettle, เจเอ็ม เท็ดเดอร์ พันธะเคมี. ฉบับพิมพ์ครั้งที่สอง. จอห์น ไวลีย์ แอนด์ ซันส์ 2528.

โรเจอร์ จี. เบิร์นส์ การประยุกต์แร่วิทยาของทฤษฎีสนามคริสตัล ฉบับพิมพ์ครั้งที่สอง. สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. 2536.

มาร์ติน กอนซาเลซ โซโต เลขควอนตัมคืออะไร NANOVA https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi22f7M3IT2AhWEjaQKHTpjDiAQFnoECEwQAQ&url=https%3A%2F%2Fnanova.org%2Fque – เป็นตัวเลขควอนตัม%2F&usg=AOvVaw3UoxJOhbgXxBBSGz6R6zxr