量子数简介

发布网友 发布时间：2024-10-20 00:28

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热心网友 时间：2024-11-10 09:02

量子数是描述原子、分子、原子核或亚原子粒子状态和性质的数字。这些数字通常取整数或半整数，反映了粒子系统内部的守恒量。量子数可以表征粒子系统的状态和性质，例如能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量等。在原子物理学中，对于单电子原子（包括碱金属原子）处于一定的状态，有主量子数n、角量子数l、自旋量子数s=1/2，和总角动量量子数j；在弱磁场中，表征状态的量子数要增加总角动量磁量子数mj；在强磁场中，LS耦合解除，表征其状态的量子数是主量子数n、角量子数l、其磁量子数ml和自旋磁量子数ms；对于多电子原子(LS情形)，单个电子的量子数不是好量子数，表征原子状态的量子数是总轨道角动量量子数L、总自旋角动量量子数S以及LS耦合的总角动量子数J。在分子物理学中，分子内部还有振动和转动，表征分子状态除了有电子态的量子数外，还有振动量子数和转动量子数。在核物理学和粒子物理学中，表征核和亚原子粒子的状态和性质有电荷、角动量、宇称、轻子数、重子数、同位旋及其第三分量、超荷、G宇称等。

量子化概念最初由普朗克引入，指电磁辐射的能量和物体吸收的辐射能量只能是量子化的，是某一最小能量值的整数倍。事实上，不仅原子的能量还有它的动量、电子的运行轨道、电子的自旋方向都是量子化的。电子的动量、运动轨道的分布和自旋方向都是不连续的。在多电子原子中，轨道角动量量子数也是决定电子能量高低的因素。在多电子原子中，主量子数相同、轨道角动量量子数...上述三个量子数的合理组合决定了一个原子轨道。但要描述电子的运动状态还需要有第四个量子数－自旋角动量量子数表示原子内电子运动的能量、角动量、……等。量子数有主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数。量子数惯例上被称为主量子数（n=1，2，3，4 …）代表除掉J以后H的特征值。这个数因此会视电子与原子核间的距离（即半径坐标r）而定。平均距离会随着n增大，因此不同量子数的量子态会被说成属于不同的电子层。角量子数（l=0，1 … n-1）（又称方位角量子数或轨道量子数）通过关系式来代表轨道角动量。在化学中，这个量子数是非常重要的，因为它表明了一轨道的形状，并对化学键及键角有重大影响。有些时候，不同角量子数的轨道有不同代号，l=0的轨道叫s轨道，l=1的叫p轨道，l=2的叫d轨道，而l=3的则叫f轨道。磁量子数（ml= -l，-l+1 … 0 … l-1，l）代表特征值，这是轨道角动量沿某指定轴的射影。从光谱学中所得的结果指出一个轨道最多可容纳两个电子。然而两个电子绝不能拥有完全相同的量子态（泡利不相容原理），故也绝不能拥有同一组量子数。所以为此特别提出一个假设来解决这问题，就是设存在一个有两个可能值的第四个量子数。这假设以后能被相对论性量子力学所解释。自旋量子数（ms= -1/2 或 +1/2）代表电子的固有角动量。这是自旋 s=1/2沿某指定轴的射影。

总结，一电子的量子态视下列各量子数而定：
名称符号轨道意义取值范围取值例子主量子数壳层角量子数（角动量）次壳层若:磁量子数（角动量之射影）能移若:自旋量子数自旋只能是例：用于描述氟（F）原子最外层电子（即价电子，位于原子轨道2p）的各量子数值为：n=2，l=1，ml=1或0或-1，ms=-1/2或1/2。注意分子轨道需要使用完全不同的量子数组，因为其哈密顿算符及对称跟上述相当不同。

量子数是量子力学中表述原子核外电子运动的一组整数或半整数。因为核外电子运动状态的变化不是连续的，而是量子化的，所以量子数的取值也不是连续的，而只能取一组整数或半整数。量子数包括主量子数n、角量子数l、磁量子数m和自旋量子数ms四种，前三种是在数学解析薛定谔方程过程中引出的，而最后一种则是为了表述电子的自旋运动提出的。