Subiectul3 – Numere cuantice

Definirea stării energetice a atomului, respectiv caracte-rizarea stării electronilor într-un atom se face cu ajutorul a patru parametrii numiţi numere cuantice. Numărul cuantic principal, n, cunatifică momentul cinetic total sau unghiular al electronului (v. 1.5.2) şi caracterizează nivelele principale de energie din atom sau straturile (învelişurile) de electroni. În cazul rotaţiei după o elipsă, n este în legătură cu semiaxa mare a elipsei. El poate lua valorile 1, 2, 3,...ce corespund nivelelor K, L, M, N, O, P, Q. Pe planeta noastră nu există atomi cu n > 7. Numărul cuantic secundar (azimutal sau orbital) notat cu l, cuantifică momentul cinetic orbital (v. 1.6), determină forma elipsei (fig. 9) şi caracterizează substraturile de electroni care alcătuiesc un strat.

Valorile energetice ale momentului cinetic orbital nu pot fi decât un multiplu întreg de h/2 adică:

2

hl

în care l poate lua toate valorile întregi de la 0 la n-1. Substraturile se notează cu s, p, d, f… şi corespund la valorile lui l = 0, 1, 2, 3. Astfel, substratul cu l = 0 se numeşte substrat s, cel cu l = 1 substrat p, l = 2 substrat d, l = 3 substrat f etc. Numărul cuantic magnetic, m, indică numărul de orbitali dintr-un substrat şi caracterizează starea electronilor în câmpuri magnetice. Electronii, gravitând în jurul nucleului atomic, reprezintă nişte curenţi circulari care, după electrodinamica clasică, sunt echivalenţi cu câte un mic magnet ce pot fi caracterizaţi prin momentul magnetic. Rezultanta vectorială a momentelor magnetice corespunzătoare tuturor orbitalilor constituie momentul magnetic total al atomului. În absenţa unui câmp exterior, direcţia momentului magnetic al atomului poate fi oarecare astfel încât nu este influenţat conţinutul său în energie. Dacă atomul este pus într-un câmp magnetic exterior, acesta exercită o acţiune de orientare asupra momentului magnetic în raport cu câmpul magnetic perturbator, ceea ce face ca liniile spectrale ale elementului respectiv să prezinte o structură fină (fiecare linie apare formată din mai multe linii foarte apropiate). Aceste observaţii au dus la concluzia că trebuie să se introducă încă un număr cuantic pentru cunoaşterea mai exactă a stării energetice din atomi. Astfel, atomii care au un singur electron se orientează în aşa fel în câmpul

magnetic încât proiecţia momentului cinetic orbital al electronului (l·h/2) pe liniile de forţă ale câmpului să fie un multiplu întreg de h/2 adică:

2

hm

unde m este numărul cuantic magnetic. Numărul cuantic de spin, s. Pe lângă rotaţia sa orbitală, electronul are o mişcare de rotaţie în jurul axei proprii, ca o sfârlează. Această ipoteză a fost făcută pentru prima dată de G. Uhlenbeck şi S. Gaudsmit (1925), iar mişcarea de rotaţie a căpătat denumirea de spin de la cuvântul englez „to spin” care înseamnă a toarce. Rotaţia poate avea loc numai în două feluri, ceea ce corespunde la două stări identice, dar de sens opus. Pentru caracterizarea acestor două stări, s-a introdus un nou parametru, numărul cuantic de spin s, care poate lua două

valori: 1/2. Semnul se referă la sensul de rotaţie, înţelegând că atunci când axa spinului este paralelă cu axa de rotaţie în jurul nucleului, s = +1/2, iar când este antiparalelă cu aceasta, s = -1/2.