เลขควอนตัม: แบบฟอร์มการโคจรของอะตอมและตัวอย่าง

จำนวนควอนตัมคือตัวเลขที่มีความหมายพิเศษหรือพารามิเตอร์เพื่ออธิบายสถานะของระบบควอนตัม

ในช่วงแรกเราอาจศึกษาทฤษฎีอะตอมง่ายๆเช่นทฤษฎีของจอห์นดาลตัน อย่างไรก็ตามการพัฒนาทางเทคโนโลยีทำให้เกิดทฤษฎีใหม่เกี่ยวกับอะตอม

ก่อนหน้านี้เรารู้เกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมของ Niels Bohr ซึ่งระบุว่าอะตอมสามารถเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ นิวเคลียสของอะตอมในวิถีของมันได้

แต่ไม่กี่ปีต่อมาทฤษฎีอะตอมใหม่ที่เรียกว่าทฤษฎีควอนตัมเกิดขึ้นหลังจากการค้นพบทฤษฎีคู่ของคลื่นอนุภาค

ทฤษฎีควอนตัมของอะตอมให้การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญกับแบบจำลองอะตอม

ในทางทฤษฎีควอนตัมอะตอมเป็นแบบจำลองในรูปแบบของตัวเลขหรือที่เรียกว่าตัวเลขควอนตัม สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมลองดูว่าบิลคืออะไร ควอนตัม

เบื้องต้น

"จำนวนควอนตัมคือตัวเลขที่มีความหมายพิเศษหรือพารามิเตอร์เพื่ออธิบายสถานะของระบบควอนตัม"

ในตอนแรกทฤษฎีนี้ถูกหยิบยกโดยนักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงชื่อเออร์วินชเรอดิงเงอร์ด้วยทฤษฎีที่มักเรียกว่าทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม

แบบจำลองอะตอมที่ได้รับการแก้ไขครั้งแรกโดยเขาคือแบบจำลองของอะตอมของไฮโดรเจนโดยใช้สมการคลื่นเพื่อให้ได้แท่ง ควอนตัม

จากจำนวนนี้เราสามารถหาข้อมูลเกี่ยวกับแบบจำลองของอะตอมที่เริ่มต้นจากออร์บิทัลของอะตอมที่อธิบายนิวตรอนและอิเล็กตรอนในตัวมันและพฤติกรรมของอะตอม

อย่างไรก็ตามควรสังเกตว่าแบบจำลองของทฤษฎีควอนตัมขึ้นอยู่กับความไม่แน่นอนของตำแหน่งอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนไม่เหมือนดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ในวงโคจรของมัน อย่างไรก็ตามอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ตามสมการคลื่นเพื่อให้ตำแหน่งของอิเล็กตรอนสามารถ "ทำนาย" หรือทราบความน่าจะเป็นของมันเท่านั้น

ดังนั้นทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมจึงสร้างความน่าจะเป็นของอิเล็กตรอนหลายแบบเพื่อให้ทราบขอบเขตของอิเล็กตรอนที่กระจัดกระจายหรือที่เรียกว่าออร์บิทัล

เลขควอนตัมคืออะไร?

โดยทั่วไปจำนวนควอนตัมประกอบด้วยชุดตัวเลขสี่ชุด ได้แก่ :

• เลขควอนตัมหลัก (n)
• เลข Azimuth (l)
• จำนวนแม่เหล็ก (ม.)
• หมายเลขสปิน

จากชุดตัวเลขทั้งสี่ชุดข้างต้นสามารถทราบระดับพลังงานของวงโคจรขนาดรูปร่างความน่าจะเป็นในแนวรัศมีของวงโคจรหรือแม้แต่การวางแนวได้

นอกจากนี้หมายเลขสปินยังสามารถอธิบายโมเมนตัมเชิงมุมหรือการหมุนของอิเล็กตรอนในออร์บิทัล สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเราจะดูองค์ประกอบที่ประกอบขึ้นเป็นตั๋วเงินทีละรายการ ควอนตัม

1. เลขควอนตัมหลัก (n)

ดังที่เราทราบจำนวนควอนตัมหลักอธิบายถึงลักษณะสำคัญที่เห็นได้จากอะตอมกล่าวคือระดับพลังงาน

ยิ่งค่าของตัวเลขนี้มากเท่าใดระดับพลังงานของออร์บิทัลก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

อ่านเพิ่มเติม: Assimilation [Complete]: คำจำกัดความข้อกำหนดและตัวอย่างที่สมบูรณ์

เนื่องจากอะตอมมีเชลล์อย่างน้อย 1 จำนวนควอนตัมหลักจึงเขียนเป็นจำนวนเต็มบวก (1,2,3, ….)

2. Azimuth Quantum Number (l)

มีตัวเลขตามหลังเลขควอนตัมหลักซึ่งเรียกว่าบิล ควอนตัมแอซิมัท

เลขควอนตัมแอซิมัทอธิบายถึงรูปร่างวงโคจรที่อะตอมมี รูปร่างของวงโคจรหมายถึงตำแหน่งหรือส่วนย่อยที่อิเล็กตรอนอาจครอบครองอยู่

ในการเขียนตัวเลขนี้เขียนโดยการลบทวิภาค ควอนตัมหลักกับหนึ่ง (l = n-1)

ถ้าอะตอมมี 3 เชลล์ดังนั้นหมายเลขแอซิมัทคือ 2 หรืออีกนัยหนึ่งคือมี 2 subshells ที่อาจมีอิเล็กตรอนอยู่

3. จำนวนแม่เหล็กควอนตัม (ม.)

หลังจากทราบรูปร่างของออร์บิทัลที่มีเลขแนวราบแล้วการวางแนวของออร์บิทัลยังสามารถมองเห็นได้ด้วย bi แม่เหล็กควอนตัม

การวางแนวออร์บิทัลที่เป็นปัญหาคือตำแหน่งหรือทิศทางของออร์บิทัลที่อะตอมมี ออร์บิทัลมีค่าอย่างน้อยบวกและลบค่าของเลขมุมฉาก (m = ± l)

สมมติว่าอะตอมมีหมายเลข l = 3 แล้วจำนวนแม่เหล็กของมันคือ (m = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3) หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งอะตอมสามารถมีการวางแนวได้ 7 ประเภท

4. หมายเลข Spin Quantum

โดยพื้นฐานแล้วอิเล็กตรอนมีเอกลักษณ์ภายในเรียกว่าโมเมนตัมเชิงมุมหรือที่เรียกกันทั่วไปว่าสปิน

จากนั้นจะอธิบายเอกลักษณ์นี้ด้วยตัวเลขที่เรียกว่าหมายเลขหมุนควอนตัม

ค่าที่อธิบายเป็นเพียงค่าบวกหรือลบของสปินหรือที่เรียกกันทั่วไปว่าสปินขึ้นและหมุนลง

ดังนั้นบิล ควอนตัมสปินประกอบด้วย (+1/2 และ -1/2) เท่านั้น ถ้าเป็นบิล ควอนตัมมีจำนวนสปิน +1/2 ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงมีทิศทางหมุนขึ้น

ด้านล่างนี้เป็นตัวอย่างตารางตัวเลขควอนตัมเพื่อให้คุณเข้าใจเกี่ยวกับตั๋วเงินมากขึ้น ควอนตัม

ออร์บิทัลของอะตอม

ก่อนหน้านี้เราได้เรียนรู้ว่าออร์บิทัลเป็นสถานที่หรือช่องว่างที่อะตอมอาจครอบครอง

เพื่อให้คุณเข้าใจวงโคจรลองดูภาพด้านล่าง

ภาพด้านบนเป็นรูปแบบของออร์บิทัลของอะตอม ลูกศรในภาพด้านบนแสดงวงโคจรหรือช่องว่างที่อิเล็กตรอนอาจครอบครองอยู่

จากภาพด้านบนเราจะเห็นว่าอะตอมมีช่องว่างสองช่องที่อาจถูกอิเล็กตรอนยึดครอง

อะตอมมี subshells สี่ประเภท ได้แก่ s, p, d และ f subshells เนื่องจาก subshells บนอะตอมแตกต่างกันรูปร่างของออร์บิทัลจึงแตกต่างกันด้วย

ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายบางส่วนของออร์บิทัลที่อะตอมมี

การกำหนดค่าอิเล็กตรอน

หลังจากรู้วิธีสร้างแบบจำลองอะตอมตามทฤษฎีกลควอนตัมแล้วเราจะพูดถึงการกำหนดค่าหรือการจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัลอะตอม

อ่านเพิ่มเติม: สมการค่าสัมบูรณ์ (คำอธิบายที่สมบูรณ์และปัญหาตัวอย่าง)

มีกฎหลักสามข้อที่เป็นพื้นฐานของการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม กฎสามข้อคือ:

1. หลักการ Aufbau

หลักการ Aufbau เป็นกฎของการจัดเรียงอิเล็กตรอนโดยที่อิเล็กตรอนครอบครองวงโคจรที่มีระดับพลังงานต่ำที่สุดก่อน

เพื่อไม่ให้คุณสับสนรูปภาพด้านล่างคือกฎการจัดเรียงตามหลักการของ Aufbau

2. การห้าม Pauli

การจัดเรียงอิเล็กตรอนแต่ละครั้งสามารถเติมจากระดับพลังงานของวงโคจรต่ำสุดไปจนถึงสูงสุด

อย่างไรก็ตาม Pauli เน้นย้ำว่าในอะตอมหนึ่งไม่สามารถประกอบด้วยอิเล็กตรอนสองตัวที่มีเลขควอนตัมเท่ากันได้ แต่ละออร์บิทัลสามารถถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนสองประเภทที่มีสปินตรงข้ามกันเท่านั้น

3. กฎ Hund

ถ้าอิเล็กตรอนเติมในระดับพลังงานของออร์บิทัลเดียวกันการจัดวางอิเล็กตรอนจะเริ่มต้นด้วยการเติมอิเล็กตรอนที่หมุนขึ้นก่อนในแต่ละออร์บิทัลโดยเริ่มต้นด้วยระดับพลังงานต่ำ จากนั้นดำเนินการเติมแบบหมุนลง

การกำหนดค่าอิเล็กตรอนมักจะทำให้ง่ายขึ้นด้วยองค์ประกอบของก๊าซมีตระกูลดังที่แสดงไว้ด้านบน

นอกจากนี้ยังพบความผิดปกติในโครงร่างอิเล็กตรอนเช่นใน d subshell ใน d subshell อิเล็กตรอนมักจะถูกเติมเต็มครึ่งหนึ่งหรือเต็มไปหมด ดังนั้นการกำหนดค่าอะตอม Cr จึงมีการกำหนดค่า₂₄ Cr: [Ar] 4s13d5

ตัวอย่างปัญหา

ต่อไปนี้เป็นคำถามตัวอย่างเพื่อให้เข้าใจตัวเลขได้ดีขึ้น ควอนตัม

ตัวอย่าง 1

อิเล็กตรอนมีค่าของเลขควอนตัมหลัก (n) = 5 กำหนดแต่ละบิล ควอนตัมอื่น ๆ ?

ตอบ

 ค่าของ n = 5
ค่า l = 0,1,2 และ 3
ค่าของ m = ระหว่าง -1 ถึง +1
สำหรับค่า l = 3 ค่าของ m = - 3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 

ตัวอย่าง 2

ค้นหาโครงร่างอิเล็กตรอนและแผนภาพอิเล็กตรอนของอะตอมของธาตุ₃₂ Ge

ตอบ

₃₂ Ge: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 หรือ [Ar] 4s2 3d10 4p2

ตัวอย่างที่ 3

ค้นหาโครงร่างอิเล็กตรอนและแผนภาพอิเล็กตรอนของ₈ O2− ไอออน

ตอบ

₈ O2−: 1s2 2s2 2p6 หรือ [He] 2s2 2p6 หรือ [Ne] (เพิ่มอิเล็กตรอน 2 ตัว: 2s2 2p4 + 2)

ตัวอย่างที่ 4

กำหนดจำนวนแกนหลักแนวราบและควอนตัมแม่เหล็กที่อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับย่อยพลังงาน 4d อาจมี

ตอบ

n = 4 และ l = 3 ถ้า l = 2 แล้ว m = -3-2, -1, 0, +1, + 2 + 3 +

ตัวอย่างที่ 5

กำหนดบิล องค์ประกอบควอนตัม₂₈ Ni

ตอบ

₂₈ Ni = [Ar] 4s2 3d8