Введение
Число, присвоенное каждому электрону в атоме.
В квантовой механике, главное квантовое число (обозначается как n) – одно из четырех квантовых чисел, присваиваемых каждому электрону в атоме для описания состояния этого электрона. Его значениями являются натуральные числа (начиная с единицы), что делает его дискретной переменной. Помимо главного квантового числа, другими квантовыми числами для связанных электронов являются орбитальное квантовое число ℓ, магнитное квантовое число ml и спиновое квантовое число s.
Обзор и история
По мере увеличения n, электрон также обладает более высокой энергией и, следовательно, менее прочно связан с ядром. При больших значениях n электрон в среднем находится дальше от ядра. Для каждого значения n существует n допустимых ℓ (азимутальных) значений, изменяющихся от 0 до n–1 включительно, поэтому электронные состояния с более высокими n более многочисленны. Учитывая два состояния спина, каждая n-оболочка может вмещать до 2n² электронов. В упрощенной одноэлектронной модели, описанной ниже, полная энергия электрона является отрицательной обратно пропорциональной квадратичной функцией главного квантового числа n, что приводит к вырождению энергетических уровней для каждого n > 1. В более сложных системах – тех, в которых действуют силы, отличные от кулоновского взаимодействия между ядром и электроном – эти уровни расщепляются. Для многоэлектронных атомов это расщепление приводит к образованию "подоболочек", параметризованных ℓ. Описание энергетических уровней, основанное только на n, постепенно становится недостаточным для атомных номеров, начиная с 5 (бора), и полностью неприменимо для калия (Z = 19) и элементов с большим атомным номером. Главное квантовое число впервые было введено для использования в полуклассической модели атома Бора, чтобы различать различные энергетические уровни. С развитием современной квантовой механики простая модель Бора была заменена более сложной теорией атомных орбиталей. Однако современная теория по-прежнему требует использования главного квантового числа.
Значения
В химии значения n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 используются в контексте теории электронных оболочек, при этом ожидается включение n = 8 (и, возможно, 9) для еще не открытых элементов 8-го периода. В атомной физике более высокие значения n иногда используются для описания возбужденных состояний. Наблюдения межзвездной среды выявляют спектральные линии атомарного водорода, в которых n достигает сотен; были зарегистрированы значения вплоть до 766.