Kvantová čísla?! Ááá, co to zase je?
Když jsem mluvil o kvantově-mechanickém modelu atomu, zmínil jsem se o Schrödingerově rovnici, jejímž řešením je vlnová funkce. Ta popisuje, v jakém „stavu” se nacházejí elektrony atomu. Slovem stav se myslí především to, v jakém je elektron orbitalu. Vlnová funkce však dává smysl pouze tehdy, pokud jsou do ní dosazena určitá čísla, kterým se říká kvantová.
Se Schrödingerovou rovnicí ani vlnovou funkcí rozhodně počítat nemusíš, stačí si pamatovat, že stav elektronu Ize popsat pomocí čtyř kvantových čísel - hlavního, vedlejšího, magnetického a spinového. Z toho první tři ti řeknou, v jakém orbitalu se elektron bude nacházet.
Hlavní kvantové číslo
Hlavní kvantové číslo, označuje se jako n, udává, jakou energii elektron má. Čím vyšší energii elektron má, tím se zvyšuje pravděpodobnost, že bude dále od jádra. Jinými slovy, čím vyšší je kvantové číslo, tím větší je orbital pro daný elektron. Orbitaly se krom tvaru (s{,}\:p{,}\:d{,}\:f) označují také právě hlavním kvantovým číslem. Orbitaly 1s a 2s tedy budou mít stejný tvar, ale orbital 2 \mathrm{~s} bude větší.
Hlavní kvantové číslo musí být celé kladné číslo: 1, 2, 3, 4...
Hodnotu energie elektronu (v atomu vodíku) je možné přesně spočítat, a to podle tohoto vzorečku:
E_{n}=-\frac{B}{n^{2}}
Za n si dosadíš hlavni kvantové číslo a B je konstanta - 1312 \mathrm{~kJ} / \mathrm{mol}. To, že n může být pouze celé kladné číslo, ukazuje, že se energie elektronu může měnit pouze v určitých přesně daných „kusech” (kvantech), a ne libovolně. Jde o další z typických vlastností kvantové fyziky.
Vedlejší kvantové číslo
Toto číslo, označuje se jako l, udává, jaký tvar bude mít orbital pro daný elektron. Vedlejší kvantové číslo může mít hodnoty 0, 1, 2, 3 až po n-1 (tedy hlavní kvantové číslo minus jedna). Každé z těchto čísel odpovídá jinému tvaru orbitalu:
Dva elektrony mohou mít stejnou hodnotu n (hlavní kvantové číslo), ale jiné I (jiný tvar orbitalu, například s a p).
Možná tě napadá, že tu není uvedeno, jaký tvar budou mít orbitaly s vyšším vedlejším kvantovým číslem než 3. Hlavní kvantové číslo (n) přeci může jít do nekonečna a vedlejší kvantové číslo je vždy pouze o jedna nižší. Je to proto, že vyšší kvantová čísla už zkrátka nemají praktický význam. Na tak vysoké energetické hladiny se elektrony většinou nedostávají.
Magnetické kvantové číslo
Magnetické číslo, které se značí jako m_{1}, udává orientaci orbitalu v prostoru. Může mít hodnoty od -l do +l (čti minus el, plus el), a to včetně nuly. Z toho vyplývá, že orbital elektronu, který má vedlejší kvantové číslo 0 , tj. orbital s, bude mít pouze jednu možnost prostorové orientace. Konec konců, je to koule, která vypadá ze všech stran stejně, naproti tomu orbital p, pro nějž je hodnota l rovna 1, bude mít tři možné prostorové orientace:
Vzniknou tak tři různé „podorbitaly”, pojmenované podle toho, k jaké ose jsou natočené - p_{x^{\prime}} p_{y} a p_{z^{\prime}}. Elektrony v těchto orbitalech mají stejnou energii. Dvěma nebo více orbitalům, které mají stejnou energii, se říká degenerované.
Orbitaly d (mají l rovno 2) pak mohou mít pět možných prostorových orientací, orbitaly f až sedm.
Spinové kvantové číslo
Ve škole možná uslyšíš, že si „spin můžeš představit jako rotaci elektronu”, ale „nemáš to říkat fyzikářům”. To proto, že anglické slovo spin znamená „točit se”, ale opět jde jen o historický název. Přesněji se udává, že spin je vnitřní moment hybnosti elektronu. Ve skutečnosti však nikdo přesně neví, co to spin je, a není ani možné ho přirovnat k něčemu, co znáš ze života.
Spinové číslo se označuje písmenem \mathrm{m}_{\mathrm{s}} a bude ti stačit vědět, že může mít pouze hodnoty -\frac{1}{2} a+\frac{1}{2}.