[科普中国]-副量子数

副量子数，副量子数又叫角量子数。它是描述电子在核外运动状态的第二个量子数，常用符号l表示。l的取值受n（主量子数）的限制，是O、1、2、……（n-1），它的大小决定轨道角动量大小，因而决定轨道形状和电子云状态，它和波函数的角度分布（空间形状）有关,是决定电子运动能量的次要量子数。

定义角量子数和能量有关的量子数。从经典力学的概念可知，任何旋转体都有绕轴的角动量。它是一个矢量。当它不是连续变动时，会取不同的分离值，是量子化的。1

角量子数与电子能级角量子数确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。电子绕核运动，不仅具有一定的能量，而且也有一定的角动量M， 它的大小同原子轨道的形状有密切关系。例如M=0时，即l=0时说明原子中电子运动情况同角度无关,即原子轨道的轨道是球形对称的；如l=1时,其原子轨道呈哑铃形分布；如l=2时，则呈花瓣形分布。对于给定的n值，量子力学证明l只能取小于n的正整数：l=0,1,2,3……(n-1) 磁量子数m 磁量子数m决定原子轨道在空间的取向。某种形状的原子轨道，可以在空间取不同方向的伸展方向,从而得到几个空间取向不同的原子轨道。这是根据线状光谱在磁场中还能发生分裂，显示出微小的能量差别的现象得出的结果。磁量子数可以取m=0,+/-1,+/-2……+/-l 自旋量子数ms。直接从薛定谔方程得不到第四个量子数——自旋量子数ms,它是根据后来的理论和实验要求引入的。精密观察强磁场存在下的原子光谱，发现大多数谱线其实由靠得很近的两条谱线组成。这是因为电子在核外运动，还可以取数值相同,方向相反的两种运动状态,通常用↑和↓表示。1

角量子数与电子云，电子轨道角量子数决定电子空间运动的角动量，以及原子轨道或电子云的形状，在多电子原子中与主量子数n共同决定电子能量高低。对于一定的n值，l可取0，1，2，3，4… n-1等共n个值，用光谱学上的符号相应表示为s，p，d，f，g等。角量子数l表示电子的亚层或能级。一个n值可以有多个l值，如n=3表示第三电子层，l值可有0，1，2，分别表示3s，3p，3d亚层，相应的电子分别称为3s，3p，3d电子。它们的原子轨道和电子云的形状分别为球形对称，哑铃形和四瓣梅花形，对于多电子原子来说，这三个亚层能量为E3d>E3p>E3s，即n值一定时，l值越大，亚层能级越高。在描述多电子原子系统的能量状态时，需要用n和l两个量子数。2

相关知识主量子数主量子数是原子物理学中的概念，是与能层对应的量子数，表示原子轨道的量子数的其中一种（其他还包括角量子数、磁量子数和自旋量子数），用小写字母n表示。

主量子数只能取正整数的值。当主量子数增加时，原子轨道变大，原子的外层电子将处于更高的能量值（能量值只能取确定的、分离的值，这些能量值称为能级），因此受到原子核的束缚更小。这是波尔模型引入的唯一一个量子数。主量子数n是用来描述原子中电子出现几率最大区域离核的远近，或者说它是决定电子层组数的。因为电子排布遵循最低能量原理排布顺序为ns→(n-2)f→(n-1)d→np，故当主量子数等于3时能级排到1s2s2p3s3p4s3d。

n相同的电子为一个电子层，电子近乎在同样的空间范围内运动，故称主量子数。主量子数的n的取值为1，2，3...等正整数。例如，n=1代表电子离核的平均距离最近的一层，即第一电子层；n=2代表电子离核的平均距离比第一层稍远的一层，即第二电子层。余此类推。可见n愈大电子离核的平均距离愈远。2

磁量子数磁量子数代表每个亚层的轨道（轨道方向）。同一亚层（l值相同）的几条轨道对原子核的取向不同。磁量子数Me是描述原子轨道或电子云在空间的伸展方向。某种形状的原子轨道，可以在空间取不同方向的伸展方向，从而得到几个空间取向不同的原子轨道。这是根据线状光谱在磁场中还能发生分裂，显示出微小的能量差别的现象得出的结果。磁量子数m取值受角量子数l制约，对于给定的l值，m∈{m|m∈Z且|m|≤l} 既m= -l，...，-2，-1，0，+1，+2…+l，共2l+1个值。这些取值意味着在角量子数为l的亚层有2l+1个取向，而每一个取向相当一条“原子轨道”。3

自旋量子数自旋量子数是描述电子自旋运动的量子数。自旋磁量子数用ms表示。除了量子力学直接给出的描写原子轨道特征的三个量子数n、l和m之外，还有一个描述轨道电子特征的量子数，叫做电子的自旋磁量子数ms。原子中电子除了以极高速度在核外空间运动之外，也还有自旋运动。电子有两种不同方向的自旋，即顺时针方向和逆时针方向的自旋。 它决定了电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。通常用向上和向下的箭头来代表，即↑代表正方向自旋电子，↓代表逆方向自旋电子。3

本词条内容贡献者为:

唐浩宇 - 教授 - 湘潭大学