Факультет

Студентам

Посетителям

Квантовые числа, позволяющие отличать невидимые частицы друг от друга

Квантовыми числами называют целые или полуцелые числа, определяющие те дискретные значения физических величин, которыми могут обладать системы, подчиняющиеся квантовым законам.

Ведь в чем состояла главная «непривычность квантовой механики» для физиков, воспитанных на законах классической науки? В том, что физические величины, которые в макромире принимали любые непрерывные значения, в микромире подчинялись квантованию, то есть менялись лишь порциями — квантами. Это было очень необычно и удивительно.

Бор ввел квантовые числа в свою теорию атома. Получились они у него тогда, когда на классическое движение такой системы, как атом водорода, состоящий из ядра и вращающегося вокруг него электрона, Бор наложил дополнительные квантовые условия…

Представьте себе просто обычную механическую систему: одно, меньшее, тело обращается по замкнутой орбите вокруг другого тела большей массы. Чем характеризуется такая система? Прежде всего — энергией. Энергия зависит от орбиты. А чем можно характеризовать орбиту?.. Радиусом, затем вытянутостью. Можно еще — ориентацией, то есть углом между осью магнитного поля и перпендикуляром — нормалью к плоскости орбиты.

Все это Бор предусмотрел. И лишь одним отличались характеристики электронной орбиты, скажем, от таких же характеристик орбиты Земли вокруг Солнца или Луны вокруг Земли. Характеристики электронных орбит квантовались. То есть они могли меняться скачками, а не непрерывно. Так и получились первые три квантовых числа, характеризующих состояние атома.

Самое первое Главное Квантовое Число — и характеризует энергию электрона.

Оно показывает также среднее расстояние от ядра, на котором проходит электронная орбита. Вы ведь помните, что электронные орбиты могут быть круглыми и эллиптическими. Так вот среднее расстояние и тех и других от ядра, если они характеризуются одним Главным Квантовым Числом, должно быть одинаковым.

Для наглядности я нарисовал здесь три электронных конфигурации простейшего атома с возможными эллиптическими орбитами, определяющимися одним Главным Квантовым Числом.

Я думаю, вам понятно, что таких оболочек в сложных атомах со многими электронами несколько. Каждая из них имеет свое Главное Квантовое Число п, которое может принимать псе целые значения, начиная от единицы: n = 1, 2, 3, 4…

Кроме Главного Квантового Числа, энергия электрона обычно зависит еще и от того, насколько сплюснута его орбита. Это влияние учитывает второе — Орбитальное Квантовое Число Зоммерфельда, или орбитальный момент количества движения.

Круговая орбита, представляющая собой частный случай эллипса, имеет наибольший момент количества движения. Орбита в виде наиболее вытянутого эллипса имеет наименьший момент импульса.

Кстати, в случае эллиптической орбиты ядро атома всегда находится в одном из фокусов эллипса. (Массой электрона, вносящей поправку в это правило, мы по сравнению с массой ядра пренебрегаем.)

Момент импульса обозначается буквой 1 и при заданном Главном Квантовом Числе n может принимать все значения от нуля и до (n—1).

Третье квантовое число обозначается буквой ш и определяет положение плоскости электронной орбиты в магнитном поле. Оно может принимать (21 + 1) значений, как положительных, так и отрицательных, начиная от нуля.

Например, при I = 1 магнитный момент может принимать три значения: 21 + 1 = 2∙1 + 1 = 3. Первое получается — 0, потом +1 и —1.

При I = 2, m = 2 ∙ 2 + 1 = 5; опять начинаем с нуля и получается такой ряд: —2, —1, 0, + 1, +2.

Четвертое квантовое число было введено Паули. Он назвал его «неклассической двузначностью электрона», поскольку оно могло принимать только два значения +1/2 и —1/2. Паули считал, что наглядно представить себе эту характеристику невозможно. Но прошел год, и некоторую наглядность она получила вместе с названием «спин», происходящим от английского глагола «to spin», что означает «вращаться». Обозначили ее латинской буквой «S» и нарекли «внутренним моментом вращения электрона». В те годы еще электроны представляли маленькими шариками, облетающими атомное ядро по замкнутым орбитам. В дальнейшем понятие спина перестали связывать с движением частицы как единого целого. Потому что спин имел квантовую природу и образ единого вращающегося тела мог быть принят только в качестве грубой аналогии. Спин стал характерным для каждого сорта частиц целым или полуцелым положительным числом.

Источник: А.Н. Томилин. В поисках первоначал. Издательство «Детская литература». Ленинград. 1978