Concetti Chiave
- La meccanica ondulatoria utilizza quattro numeri quantici per descrivere gli orbitali elettronici, con il numero quantico di spin che rappresenta la rotazione dell'elettrone.
- Il numero quantico di spin può assumere due valori, più un mezzo e meno un mezzo, e non dipende dagli altri numeri quantici.
- Un esperimento con atomi di argento ha confermato l'importanza dello spin, mostrando come un elettrone generi un campo magnetico mentre coppie di elettroni con spin opposti non lo fanno.
- Negli atomi multielettronici, le repulsioni tra elettroni complicano le soluzioni delle equazioni d'onda, rendendo necessaria l'approssimazione degli orbitali elettronici.
- La schermatura degli elettroni più vicini al nucleo riduce l'efficacia della carica nucleare effettiva, richiedendo un'estensione del modello quantomeccanico per gestire orbitali complessi.
La meccanica ondulatoria fornisce tre numeri quantici con i quali possiamo descrivere gli orbitali elettronici. Occorre però un quarto numero quantico. 2 scienziati proposero che alcune caratteristiche fino ad ora inspiegabili riguardanti il comportamento dello spettro dell’idrogeno diventassero comprensibili assumendo che un elettrone intorno al suo asse.
Indice
Qual è il numero quantico di spin?
Esistono 2 possibilità di rotazione dello spin o spin elettronico. Queste due possibilità richiedono un quarto numero quantico, il numero quantico di spin elettronico (ms).
Il numero quantico di spin può assumere due valori: il valore più un mezzo (indicato anche con il simbolo ↑) oppure meno un mezzo (indicato con il simbolo ↓). Il valore di ms non dipende dagli altri numeri quantici.
Esperimento con l'argento
Quanto detto per il quarto numero quantico è stato verificato attraverso un esperimento. L'esperimento è il seguente: viene vaporizzato dell'argento in un forno e un fascio di questi atomi di argento viene fatto passare attraverso un campo magnetico disomogeneo. Il fascio viene diviso in due. La spiegazione è la seguente
- Un elettrone, a causa del suo spin, genera un campo magnetico.
- Una coppia di elettroni con spin opposti non genera un campo magnetico.
Atomi multielettronici e repulsioni
Nel caso degli atomi multielettronici interviene un nuovo fattore: le mutue repulsioni tra gli elettroni. Dal momento che le posizioni degli elettroni non sono note, le repulsioni elettroniche possono essere solo approssimate, il che vuol dire che le soluzioni dell'equazione d'onda sono anch'esse approssimate. L'approccio che si usa consiste nel considerare gli elettroni, uno alla volta, dell'intorno definito dal nucleo e dagli altri elettroni. Così facendo, gli orbitali elettronici ottenuti sono dello stesso tipo di quelle ricavati nel caso dell'atomo di idrogeno; questi orbitali vengono detti idrogenoidi.
Negli atomi multielettronici è necessario considerare che:
- La forza di attrazione del nucleo sugli elettroni è aumenta all’aumentare della carica del nucleo;
- Le energie degli elettroni si abbassano all’aumentare del numero atomico dell’atomo.
Schermatura e carica nucleare
È necessario poi considerare che gli elettroni presenti negli orbitali più vicini al nucleo creano uno scudo, ovvero schermano il nucleo per gli elettroni più lontani. Riducono quindi la capacità del nucleo di attirare gli elettroni più lontani, ovvero riducono l’efficacia della carica nucleare effettiva (Zeff).
La presenza di più di un elettrone richiede l'estensione del modello quantomeccanico imponendo:
- Un limite sul numero di elettroni permessi in un orbitale;
- Una più complessa sequenza delle energie degli orbitali.
Domande da interrogazione
- Qual è l'importanza del numero quantico di spin nella meccanica ondulatoria?
- Come è stato verificato il concetto di spin elettronico?
- Quali complicazioni sorgono negli atomi multielettronici rispetto agli elettroni?
- Che ruolo gioca la schermatura degli elettroni nella carica nucleare effettiva?
Il numero quantico di spin è fondamentale poiché introduce un quarto numero quantico necessario per descrivere il comportamento degli elettroni, con due possibili valori: +1/2 e -1/2, che non dipendono dagli altri numeri quantici.
L'importanza del numero quantico di spin è stata dimostrata attraverso un esperimento con l'argento, dove un fascio di atomi di argento, vaporizzati e fatti passare attraverso un campo magnetico, si divide in due a causa del campo magnetico generato dagli elettroni con spin.
Negli atomi multielettronici, le repulsioni tra elettroni complicano la situazione, rendendo le soluzioni dell'equazione d'onda approssimate, poiché si considera ogni elettrone singolarmente in relazione al nucleo e agli altri elettroni.
Gli elettroni più vicini al nucleo schermano quest'ultimo per quelli più lontani, riducendo l'efficacia della carica nucleare effettiva (Zeff) e imponendo limiti sul numero di elettroni permessi in un orbitale e una sequenza energetica più complessa.
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