量子数

表征原子、分子、原子核或亚原子粒子状态和性质的数。通常取整数或半整数分立值。量子数是这些粒子系统内部一定相互作用下存在某些守恒量的反映，与这些守恒量相联系的量子数又称为好量子数，它们可表征粒子系统的状态和性质。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 一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。表征其性质的量子数是主量子数n、角量子数l、自旋量子数ms=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，等等。

表征微观粒子运动状态的一些特定数字。量子化的概念最初是由普朗克引入的，即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，这个整数n称为量子数．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，即是说电子的动量、运动轨道的分布和自旋方向都是不连续的，此外我们将看到不仅电子还有其它基本粒子的能量、运动轨道分布、磁矩等都是量子化．

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。所以，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、……等的一组整数或半整数。按量子力学原理，原子中核外电子运动、状态、角动量都不是连续变化的，而是跳跃式变化的，即量子化的。量子数有主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数。 它们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形响。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。作为摘要，一电子的量子态视下列各量子数而定：

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。

描述电子在原子核外运动状态的4个量子数之一，习惯用符号n表示。它的取值是正整数，n=1，2，3，……主量子数是决定轨道（或电子）能量的主要量子数。对同一元素，轨道能量随着n的增大而增加。在周期表中有些元素会发生轨道能量“倒置”现象。例如，在20号Ca元素处，K（19号）的E3d>E4s，不符合n越大轨道能越高的规律。而Sc（21号）的E3d<E4s。其他如4d/5s，5d/6s，……等也有类似情况。在同一原子内，主量子数相同的轨道，电子出现几率最大的空间范围几乎是相同的，因此把主量子数相同的轨道划为一个电子层，并分别用电子层符号K、L、M、N、O、P对应于n=1，2，3，4，5，6等。n越大，表示电子离核的平均距离也越大。每个电子层所能容纳的电子数可按2n^2计算。轨道能虽有局部倒置现象，但用n+0.7l（l为角量子数）的值作为填充电子次序的规则却是十分方便和基本正确的。此外，根据n的大小可以预测轨道的径向分布情况：即当n、l确定后，轨道应有（n-l）个径向极值和（n-l-1）个径向节面（节面上电子云密度为O）。对于相同l的轨道来说，n越大，径向分布曲线的最高峰离核越远，但它的次级峰恰可能出现在离核较近处。这就是轨道的“钻穿”，并产生各轨道间相互渗透的现象