เรียนรู้แนวคิดของเลขควอนตัมและวงโคจรของอะตอม

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.


สสารประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่าอะตอม ในทางกลับกัน สิ่งเหล่านี้ประกอบขึ้นจากนิวเคลียสที่มีประจุบวกขนาดเล็ก ซึ่งล้อมรอบด้วยกลุ่มเมฆอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ เลขควอนตัม เป็นชุดของจำนวนเต็มหรือเศษส่วนอย่างง่ายที่ใช้อธิบายวิธีจัดโครงสร้างอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอย่างง่ายๆ เลขควอนตัมเหล่านี้ช่วยให้เราสามารถกำหนดขอบเขตในอวกาศที่สามารถพบอิเล็กตรอนได้ ซึ่งเรียกว่าออร์บิทัลของอะตอม

การทำความเข้าใจเกี่ยวกับเลขควอนตัมเป็นขั้นตอนแรกในการทำความเข้าใจการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ขององค์ประกอบต่างๆ ซึ่งช่วยให้เราเข้าใจการเปลี่ยนแปลงของสสารที่ศึกษาในวิชาเคมีได้อย่างเรียบง่ายและสวยงาม

ทฤษฎีควอนตัมและสมการชโรดิงเงอร์

ฟิสิกส์ที่อธิบายการเคลื่อนที่ของโพรเจกไทล์และดาวเคราะห์หยุดทำงานได้ดีเมื่อสิ่งต่าง ๆ มีขนาดเล็กมาก ทฤษฎีที่อธิบายสสารในระดับอะตอมได้ดีที่สุดคือทฤษฎีควอนตัม เช่นเดียวกับกฎของนิวตันที่สร้างพื้นฐานของฟิสิกส์คลาสสิก หนึ่งในฐานพื้นฐานของทฤษฎีควอนตัมก็คือสมการชโรดิงเงอร์ ซึ่งเป็นที่มาของเลขควอนตัมและออร์บิทัลของอะตอม

สมการชโรดิงเงอร์เป็นสมการเชิงอนุพันธ์ที่อธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในรูปของคลื่น ในเวอร์ชันที่ง่ายที่สุด มันเขียนดังนี้:

สมการชโรดิงเงอร์ซึ่งฟังก์ชันคลื่นปรากฏขึ้นในจุดที่ตัวเลขควอนตัมทั้งหมดมาจาก

Ψ คือฟังก์ชันคลื่นซึ่งอธิบายอะตอมในทางคณิตศาสตร์

ฟังก์ชันคลื่นและออร์บิทัลของอะตอม

ออร์บิทัลของอะตอมเกิดขึ้นจากสมการชโรดิงเงอร์หรือจากฟังก์ชันคลื่น เป็นเวลานานที่มีการอภิปรายเกี่ยวกับความหมายของฟังก์ชันคลื่น จนกระทั่งพบว่ากำลังสองของมัน นั่นคือ Ψ 2เป็นตัวกำหนดความน่าจะเป็นในการค้นหาอิเล็กตรอนในตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งในอวกาศ

สิ่งนี้ทำให้นักฟิสิกส์ควอนตัมและนักเคมีสามารถกำหนดบริเวณรอบนิวเคลียสที่ซึ่งอิเล็กตรอนน่าจะพบได้มากที่สุด ด้วยเหตุนี้จึงเกิดแนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับออร์บิทัลของอะตอม ในความเป็นจริง วงโคจรของอะตอมถูกกำหนดไว้ในวิชาเคมีและกลศาสตร์ควอนตั มว่าเป็นพื้นที่ของอวกาศซึ่งมีความเป็นไปได้ 90% ที่จะพบอิเล็กตรอน

เลขควอนตัม

สมการชโรดิงเงอร์ไม่ใช่สมการที่มีคำตอบเดียว อันที่จริง มีคำตอบของสมการนี้มากมายนับไม่ถ้วน และคำตอบทั้งหมดถูกกำหนดโดยเลขควอนตัม อย่างเป็นทางการ เลขควอนตัมเกิดขึ้นจากฟังก์ชันคลื่นต่างๆ ที่ได้จากการแก้สมการชโรดิงเงอร์สำหรับอะตอมไฮโดรเจน การรวมกันของตัวเลขเหล่านี้ส่งผลให้เกิดฟังก์ชันคลื่นที่แตกต่างกัน และทำให้เกิดวงโคจรของอะตอมที่แตกต่างกัน

ฟังก์ชันคลื่นที่กำหนดวงโคจรของอะตอมของอะตอมไฮโดรเจน

ตัวเลขควอนตัมคืออะไรและมีค่าเท่าไร?

มีเลขควอนตัมสามตัวที่กำหนดออร์บิทัลของอะตอม และเลขเพิ่มเติมที่ระบุอิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่งที่พบในออร์บิทัลนั้น ตัวเลขเหล่านี้คือ:

  • เลขควอนตัมหลักหรือระดับพลังงาน (n)
  • เลขควอนตัมรองหรือโมเมนตัมเชิงมุม ( l )
  • หมายเลขควอนตัมแม่เหล็ก (มล. )
  • หมุนเลขควอนตัมของอิเล็กตรอน (m s )

เลขควอนตัมหลักหรือระดับพลังงาน (n)

เลขควอนตัมหลักจะกำหนดระดับพลังงานของออร์บิทัลในอะตอมไฮโดรเจน นอกจากนี้ยังปรากฏในแบบจำลองอะตอมของ Bohr และเกี่ยวข้องกับระยะทางเฉลี่ยของอิเล็กตรอนจากนิวเคลียส ในอะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัว ระดับพลังงานที่แท้จริงของออร์บิทัลแต่ละออร์บิทัลยังขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของอิเล็กตรอนในออร์บิทัลอื่นด้วย

เลขควอนตัมนี้สามารถรับได้เฉพาะจำนวนธรรมชาติเป็นค่า: 1, 2, 3,…

ชุดของออร์บิทัลที่ประกอบกันเป็นระดับพลังงานหลักแต่ละระดับเรียกว่า เชลล์ และมีความเกี่ยวข้องกับอักษรตัวใหญ่ของตัวอักษร เริ่มต้นด้วย K

หมายเลขควอนตัมหลัก (n) 1 2 3 4 5 6…
ชั้น เค แอล เลขที่ ทั้ง พี…

เลขควอนตัมรองหรือโมเมนตัมเชิงมุม ( l )

โมเมนตัมเชิงมุมกำหนดรูปร่างของวงโคจร ภายในแต่ละชั้นหรือระดับพลังงานหลัก สามารถมีออร์บิทัลหลายประเภทที่แตกต่างกันตามค่าของโมเมนตัมเชิงมุม ซึ่งแต่ละประเภทจะได้รูปร่างที่มีลักษณะเฉพาะ

ค่าที่เป็นไปได้ของโมเมนตัมเชิงมุมขึ้นอยู่กับเลขควอนตัมหลัก ในความ เป็นจริง โมเมนตัมเชิงมุมl สามารถใช้เป็นค่าของจำนวนเต็มที่มีตั้งแต่ศูนย์ (0) ถึงn – 1เท่านั้น

ซึ่งหมายความว่าที่ระดับ n=1 lสามารถรับค่าของ n-1=0 ได้เท่านั้น ที่ระดับ n=2, l สามารถรับ 0 และ 1 เป็นค่าได้ และอื่นๆ

หมายเลขโมเมนตัมเชิงมุมเรียกอีกอย่างว่าซับเชลล์พลังงาน และชุดของออร์บิทัลภายในแต่ละเชลล์ย่อยเรียกอีกอย่างว่าซับเชลล์ แต่ละระดับย่อยยังเชื่อมโยงกับตัวอักษรตัวพิมพ์เล็กที่เกี่ยวข้องกับรูปร่างฟังก์ชันคลื่น ตารางต่อไปนี้แสดงความสัมพันธ์นี้:

เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม ( l ) 0 1 2 3 4…
ชั้น ใช่ หน้า ก…

หมายเลขควอนตัมแม่เหล็ก (มล. )

โมเมนต์แม่เหล็ก ml เกี่ยวข้องกับการวางแนวในอวกาศของแต่ละออร์บิทัล

เลขควอนตัมนี้สามารถใช้เป็นค่าได้เฉพาะจำนวนเต็มที่อยู่ระหว่าง–l และ +lรวมทั้งศูนย์

ตัวอย่างเช่น ถ้าl =2 (ระดับย่อย d), m lสามารถรับค่า -2, -1, 0, +1 และ +2

แต่ละค่าของโมเมนต์แม่เหล็กภายในแต่ละ subshell จะระบุการโคจรเฉพาะ อาจกล่าวได้ว่าจำนวนควอนตัมแม่เหล็กที่เป็นไปได้บ่งชี้ว่ามีออร์บิทัลกี่วงภายในแต่ละเปลือกย่อย

การวางแนวของออร์บิทัลมักจะระบุโดยใช้แกนพิกัดคาร์ทีเซียนx, yและzและขึ้นอยู่กับประเภทของออร์บิทัลที่เป็นปัญหา

วงโคจรของ s เป็นทรงกลม ดังนั้นจึงไม่มีการวางแนวที่ต้องการ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องระบุค่าเป็น ml (ซึ่งก็คือ 0) ในกรณีของออร์บิทัล p ทิศทางx, yและz มักถูกกำหนด ให้เป็นตัวเลข -1, 0 และ +1 ตามลำดับ

ด้วยเหตุนี้จึงมีออร์บิทัล s เดี่ยว, ออร์บิทัล p 3 ออร์บิทัล, ออร์บิทัล 5 d และอื่นๆ สำหรับแต่ละระดับพลังงาน (ตราบใดที่ n มากเพียงพอ)

n, l และlกำหนดออร์บิทัล

จากที่กล่าวมาแล้ว ในการกำหนดออร์บิทัลของอะตอม จำเป็นต้องระบุชุดค่าผสมเฉพาะของเลขควอนตัมสามตัวแรกเท่านั้น ตารางต่อไปนี้แสดงตัวอย่างบางส่วนของออร์บิทัลอะตอมของอะตอมไฮโดรเจนพร้อมเลขควอนตัมตามลำดับ

เลขที่ เขา มล_ วงโคจร
1 0 0 1 วินาที
2 0 0 2 วินาที
2 1 -1 2p x
2 1 0 2p และ
2 1 +1 2p z
3 0 0 3 วินาที
3 1 -1 3p x
3 1 0 3p x
3 1 +1 3p x
3 2 -2 3d xy
3 2 -1 3d xz
3 2 0 3d และ z
3 2 +1 3d x2-y2
3 2 +2 3d z2

หมุนเลขควอนตัมของอิเล็กตรอน (m s )

ในที่สุดเราก็มีหมายเลขควอนตัมการหมุนของอิเล็กตรอน เลขควอนตัมนี้ระบุทิศทางที่อิเล็กตรอนแต่ละตัวหมุน (spin แปลว่า เลี้ยวในภาษาอังกฤษ)

การหมุนของอิเล็กตรอนสามารถมีค่าเป็น +1/2 หรือ -1/2 เท่านั้น

การหมุนของอิเล็กตรอนทำให้มันสร้างสนามแม่เหล็ก และสิ่งนี้สามารถชี้ไปในทิศทางตรงกันข้ามเพียงหนึ่งในสองทิศทางเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ การหมุนมักจะแสดงด้วยลูกศรชี้ขึ้นหรือลง ขึ้นอยู่กับว่าการหมุนเป็น +1/2 หรือ -1/2

ความจริงที่ว่าอิเล็กตรอนสามารถมีค่าสปินได้เพียง 2 ค่าและความจริงที่ว่าอิเล็กตรอนสองตัวในอะตอมเดียวกันไม่สามารถมีเลขควอนตัมสี่ตัวเท่ากันได้ (สิ่งที่เรียกว่าหลักการกีดกันของ Pauli) หมายความว่าในแต่ละออร์บิทัลเท่านั้นที่สามารถมีได้สูงสุด ของอิเล็กตรอนสองตัวที่มีสปินตรงข้ามกัน ซึ่งกล่าวกันว่าเป็นคู่

อ้างอิง

แอตกินส์ ปีเตอร์ และจูลิโอ เดอ พอลล่า (2557). เคมีเชิงฟิสิกส์ของแอตกินส์ (ร.ป.). อ็อกซ์ฟอร์ด สหราชอาณาจักร: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด.

ช้าง ร. (2551). เคมีเชิงฟิสิกส์ ( ฉบับ ที่ 1 ) นิวยอร์กซิตี้, นิวยอร์ก: McGraw Hill

Epiotis, N., & Henze, D. (2003). ตารางธาตุ (เคมี). สารานุกรมวิทยาศาสตร์กายภาพและเทคโนโลยี , 671–695. https://doi.org/10.1016/b0-12-227410-5/00551-2

Hernandez E., D., Astudillo S., L. (2013) รู้จักเลขควอนตัม. เคมีศึกษา เล่มที่ 24 ภาคผนวก 2, 485-488. สืบค้นจากhttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0187893X13725175

พอลลิง, แอล. (2021). บทนำเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม: ด้วยการประยุกต์ใช้กับเคมี (พิมพ์ครั้งแรก) นิวยอร์กซิตี้ นิวยอร์ก: McGraw-Hill

เคมี.is. (น). quantum_number. สืบค้นจากhttps://www.quimica.es/enciclopedia/N%C3%BAmero_cu%C3%A1ntico.html

Urone, PP และ Hinrichs, R. (2012, 21 มิถุนายน) 30.8 ตัวเลขและกฎควอนตัม – ฟิสิกส์ของวิทยาลัย | OpenStax สืบค้นเมื่อ 24 กรกฎาคม 2021 จากhttps://openstax.org/books/college-physics/pages/30-8-quantum-numbers-and-rules

-โฆษณา-

mm
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados