Кванттық сандар

Кванттық сандар– кванттық жүйелерді (атом ядросын, атомды, молекуланы, т.б.), жеке элементар бөлшектерді, жорамал бөлшектерді (кварктер мен глюондарды) сипаттайтын физикалық шамалардың мүмкін мәндерін анықтайтын бүтін немесе бөлшек сандар. Кванттық жүйе күйін түгелдей анықтайтын кванттық сандардың жиынтығын толық кванттық сандар деп атайды. Атомдағы электронның күйі үш кеңістіктік координата және спинмен байланысқан электронның төрт еркіндік дәрежесіне сәйкес келетін төрт кванттық санмен анықталады. Олар сутек атомы және сутек тәрізді атомдар үшін былайша аталады: бас кванттық сандар (n), орбиталық кванттық сандар (l), магниттік кванттық сандар (ml), магнитті спиндік не спиндік кванттық сандар (ms). Кванттық сандар микродүниеде өтетін процестердің дискретті сипаты бар екендігін бейнелейді әрі олар әсер квантымен, яғни 'Планк тұрақтысымен тығыз байланысты болады. Спин-орбиталық өзара әсер ескерілген кезде электронның күйін сипаттау үшін ml мен ms-тің орнына толық қозғалыс мөлшері моментінің кванттық саны (j) мен толық момент проекциясының кванттық саны (mj) пайдаланылады. Атомның, т.б. кванттық жүйелердің күйін сипаттау үшін күй жұптылығы (P‘) делінетін тағы да бір кванттық сан енгізіледі. Ол +1 не –1 мәндерін қабылдайды. Элементар бөлшектер физикасы мен ядролық физикада бұдан да басқа кванттық сандар енгізіледі. Мысалы, электрлік заряд (Q), бариондық заряд (B), электронды-лептондық заряд (Le), мюонды-лептондық заряд (mL), изотоптық спин (T), ғажаптылық (оғаштық) (S) не гиперзаряд, т.б. Кванттық сандар элементар бөлшектердің кванттық сандары олардың (бөлшектердің) өзара әсері мен бір-біріне айналу процесін анықтайтын ішкі сипаттамасы болып табылады. Кең мағынада кванттық сандар деп, көбінесе, кванттық механикалық бөлшектер (немесе жүйелер) қозғалысын анықтайтын және қозғалыс кезінде сақталатын физикалық шамаларды айтады

Атомның құрамына оң зарядты ядро мен теріс зарядты электрондар кіреді. Д. И. Менделеев ұсынған химиялық элементтердің периодтық жүйесіндегі рет нөмірі сол элементтің атом ядросы зарядының мәнімен сәйкес келеді. Aтом ядросы оң зарядты протондар мен заряды жоқ нейтрондардан тұрады. Әр элемент атомының ядро зарядына тең протондар саны тұрақты, ал нейтрондар саны өзгермелі болуына орай изотоптар шығады. Мысалы, табиғатта кездесетін көміртек екі изотоптан тұрады, олар: ¹²₆С, ¹³₆С. Сонымен қатар атмосферадан радиоактивті изотоптың ¹⁴₆С сілемі табылған. Бұл изотоптардағы нейтрондар саны 6,7,8-ге тең.

Атомдағы электрондар энергия мөлшеріне қарай белгілі бір квант қабаттарына (деңгейлерге) бөлінеді. Ондай энергетикалық деңгейлердің саны — 7, олар кестедегі периодтар санына тең. Жалпы деңгейлер мен периодтар санының бірдей болуын атом құрылысы теориясы бас квант санының мәнімен түсіндіреді.

Әр деңгейде бірнеше деңгейше бар. Деңгейшелер өз кезегінде орбитальдардан тұрады. Мысалы, бірінші квант қабатындағы (n= 1) бір деңгейшеде 1s орбиталь, ал екінші қабаттағы екі деңгейшеде екі түрлі орбиталь 2s, 2р, үшіншідегі үш деңгейшеде үш түрлі орбиталь 3s, 3р, 3d бар.

s-орбитальдардың пішіні сфера тәрізді, ал p-орбитальдардың пішіні гантель немесе көлемді сегіздік, d-орбитальдардікі одан да күрделі болып келеді. Әр деңгейшеде бір ғана s-орбиталь, х, у, z осьтері бойынша бағытталған пішіні бірдей үш p-орбиталь бола алады. Олардағы электрондарды да s-электрон, р-электрон деп бөледі.

Атомдардағы электрондарды Паули принципі, Гунд ережесіне сай энергетикалық деңгейлерге, олардың деңгейшелеріндегі s-, р-, d- орбитальдарға таратып, электрондық формулалармен белгілеп немесе квант ұяшықтарына орналастырып көрсетеді. Мысалы, реттік нөмірлері 3 литий және 6 көміртек атомдарының электрондық конфигурациясын формула түрінде бейнелейік:

₃Li 1s² 2s¹

₆С 1s² 2s² 2p²

Екеуі де екінші периодтың  элементі, өйткені соңғы электроны  екінші деңгейде түр. Алғашқы литий s-элементке, келесі көміртек р-элементке жататыны ең соңғы электроны орын алған орбитальдардан көрінеді. Егер соңғы электрон d- немесе f- орбитальдарына орналасса, ол элемент соған сәйкес d- (мысалы, темір, күміс, алтын, т.б.) немесе f- элементтер (лантаноидтар, актиноидтар) деп аталады.