Numeri quantici e Orbitali atomici

I numeri quantici erano già stati introdotti per la descrizione dell'atomo di idrogeno nel trattamento di Bohr-Sommerfeld. Tuttavia essi trovano una collocazione più naturale come risultato dell'applicazione della meccanica ondulatoria all'atomo.
Per dare un significato fisico alle soluzioni dell'equazione di Schrödinger, che mette in relazione l'energia dell'atomo con la posizione dell'elettrone intorno al nucleo, è necessario infatti introdurre tre numeri quantici: n, l, m.

Qui dovremo limitarci ad alcune semplici nozioni e relazioni che legano tra loro i numeri quantici.

n è il numero quantico principale. Nell'atomo di idrogeno e negli atomi idrogenoidi (con un solo elettrone), l'energia dipende esclusivamente da n. Esso identifica un livello. Può assumere tutti i valori interi positivi: n = 1, 2, 3, ....

l è il numero quantico orbitale (o angolare, talvolta detto anche secondario). Può assumere tutti i valori interi < n, compreso lo zero:
l = 0, 1, 2,... n-1

m è il numero quantico magnetico. Può assumere tutti i valori interi compresi fra -l e +l, incluso lo zero:
m = -l, -l+1, -l+2,... 0,... l-2, l-1,

Il numero quantico l determina la forma dell'orbitale, m il suo orientamento.

ORBITALI
l = 0 identifica l'orbitale s. L'orbitale s ha simmetria sferica.
l = 1 identifica gli orbitali p. Gli orbitali p hanno geometria bilobata. Vi sono tre orbitali p, uno per ogni valore di m, orientati, in un campo magnetico, secondo gli assi cartesiani x, y, z.
l = 2 identifica gli orbitali d. Vi sono cinque orbitali d, uno per ogni valore consentito di m.
l = 3 identifica gli orbitali f. Vi sono sette orbitali f, uno per ogni valore consentito di m.

Ogni combinazione possibile dei tre numeri quantici identifica un determinato orbitale atomico.
Il numero che precede l'orbitale è il numero quantico principale n e indica quindi il livello energetico.

Q 58, 2002A. Il numero quantico secondario di un elettrone contenuto in un orbitale 3p:
A) è 3
B) è 1
C) è 2
D) può assumere tutti i valori interi compresi tra 0 e 2
E) può assumere tutti i valori interi (zero compreso) tra -3 e +3
Q 60, 2002B. Due elettroni del terzo livello energetico NON possono avere:
A) numero quantico secondario uguale a 2
B) lo stesso numero di spin
C) numero quantico magnetico uguale a 3
D) numero quantico magnetico uguale a -2
E) numero quantico secondario uguale a 0

Gli elettroni tendono a riempire gli orbitali secondo il criterio di minima energia: saranno quindi riempiti prima l'orbitale s del 1° livello, poi gli orbitali s del 2° e successivamente gli orbitali p del medesimo livello. Dal 3° livello in poi la regolarità ad un certo punto si interrompe perché vi sono sovrapposizioni di energia fra gli orbitali di livelli diversi; questo aspetto non è tuttavia argomento dei quiz di ammissione.

Q 46, 2005B. Tra i seguenti orbitali, quale è occupato preferenzialmente da un elettrone?
A) 5s
B) 5p
C) 5d
D) 6s
E) 6p
Q 47, 2005. In base al modello atomico di Bohr, quando un elettrone passa da uno stato fondamentale ad uno stato eccitato, l'atomo:
A) acquista energia
B) emette energia
C) emette una radiazione luminosa
D) si raffredda
E) perde un protone

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