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Aggiornato il 31 Maggio 2021 da Luca Sala

Numeri Quantici – Definizione e Significato

I modelli atomici proposti da Thomson, Rutherford e Bohr donano una idea globale dell’atomo e del suo funzionamento sebbene non riescono a spiegare alcune peculiarità dello stesso. Bohr propose un modello universale dell’atomo che, a differenza dei due precedenti, riusciva a spiegare il perchè i diversi elementi avevano capacità diverse di ionizzarsi e di combinarsi ma si limitava ad affermare che “l’elettrone orbita attorno al nucleo in una scia che ne determina l’energia” ma non aggiunge nulla riguardo a tale scia, o orbita. Una valida spiegazione non può essere fornita perchè, agli inizi del XX° secolo, si considera l’atomo e le sue particelle obbediente alla fisica classica. Ma la fisica classica, dei grandi oggetti, non può essere adattata a corpuscoli miliardi di volte più piccoli del millimetro pertanto fu necessario indagare sulla fisica dell’ultrapiccolo, degli elettroni, aprendo le porte ad una nuova branca della scienza: la fisica quantistica.

L’atomo e la nube elettronica.
Per descrivere gli orbitali descritti dagli elettroni la fisica classica andava abbandonata per essere sostituita dalla fisica quantistica. Il problema che si pone agli scienziati è quello di descrivere quanto più accuratamente possibile l’orbita degli elettroni ma già qui avviene un primissimo impedimento, teorizzato dal fisico Heisenberg. Il principio di indeterminazione di Heisenberg afferma che gli elettroni si muovono alla velocità della luce e pertanto

“Non è possibile stabilire con precisione la velocità di un elettrone e la sua posizione”

In altre parola quanto più alta è la precisione nel rilevare la velocità di un elettrone, tanto più bassa è la precisione nel rilevare la sua posizione. Occorre aggiungere che rilevare un elettrone non è come calcolare la velocità di un oggetto macroscopico in quanto il sistema di rilevazione usato potrebbe, a sua volta, influire sullo stato dell’elettrone falsificandone i risultati.

Se è impossibile stabilire con certezza velocità e posizione dell’elettrone è possibile determinare il margine di errore della misurazione. Con una complessa equazione, che prende il nome dallo scopriotore Schrodinger, è possibile però calcolare la densità di probabilità riferita ad un elettrone nello spazio. Per ogni punto dello spazio circostante il nucleo di un atomo infatti si ricavano dei valori corrispondenti alla probabilità che un elettrone possa essere in quel determinato luogo. Se la densità è superiore al 90% allora si segna il punto altrimenti non lo si calcola. Operando questo calcolo per un numero elevato di punti (presi sui tre assi X,Y e Z) si ottiene una nube di densità elettronica che, in qualche modo, può descrivere l’orbita dell’elettrone.

I numeri quantici dell’atomo.
Gli orbitali possiedono delle caratteristiche specifiche che erano già state intuite da Bohr. Le caratteristiche essenziali sono la forma e l’energia e sono descritte, analiticamente, con i numeri quantici n, l, m

Il numero quantico n.
Il numero quantico n descrive l’energia del livello che, come vedremo, può essere costituito da più orbitali. Assume valori interi piccoli che partono da 1

n = 1,2,3 …

Il numero quantico l.
Il numero quantico l, o azimuthale, definisce la forma degli orbitali e individua uno o più sottolivelli.

l = 0,1, 2, 3, … (n-1)

è strettamente dipendente dal numero quantico n e assume valori che iniziano da zero e terminano a n-1. Nel caso di n=3, pertanto, i valori di l sono 0,1,2

Il numero quantico m.
Il numero quantico m determina l’orientamento dell’orbitale nello spazio tridimensionale

-l <= m <= +l

Il numero quantico m determina dunque l’orientamento dell’orbitale che hanno la stessa energia e vengono definiti degeneri. Il numero di orientamenti è determinato dal numero quantico l, che a sua volta è determinato dal numero quantico n. Se, ad esempio, il numero quantico l è pari a 2 il numero quantico m può assumere valori che vanno da -2 a + 2, zero compreso.

Lo spin.
Ogni elettrone presente nell’orbitale possiede un ulteriore numero quantico: il numero di spin. Esso determina il verso di rotazione orario (spin +1) e antiorario (spin -1). In alcuni testi i numeri di spin sono indicati con +1/2 e -1/2

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