اعداد کوانتومی، مقادیری هستند که برای توصیف سطوح انرژی موجود در اتم‌ها و مولکول‌ها به کار می‌روند. به عبارت دیگر، هر الکترون در یک اتم یا یون، با چهار عدد کوانتومی مشخص می‌شود که این اعداد، وضعیت الکترون را تعیین کرده و به حل معادله شرودینگر برای اتم هیدروژن کمک می‌کنند.

چهار عدد کوانتومی اصلی عبارتند از:

• n (عدد کوانتومی اصلی): نشان‌دهنده سطح انرژی الکترون است.
• ℓ (عدد کوانتومی فرعی یا تکانه زاویه‌ای): شکل اوربیتال اتمی (زیرلایه) را مشخص می‌کند.
• mℓ یا m (عدد کوانتومی مغناطیسی): جهت‌گیری اوربیتال اتمی در فضا را تعیین می‌کند.
• ms یا s (عدد کوانتومی اسپین): جهت چرخش الکترون به دور محور خود (اسپین) را نشان می‌دهد.

مقادیر اعداد کوانتومی: محدودیت‌ها و قوانین

طبق اصل طرد پاولی، هیچ دو الکترونی در یک اتم نمی‌توانند مجموعه اعداد کوانتومی یکسانی داشته باشند. هر عدد کوانتومی با یک عدد صحیح یا نیمه صحیح نمایش داده می‌شود.

• عدد کوانتومی اصلی (n): یک عدد صحیح است که نشان‌دهنده شماره لایه الکترونی است. مقدار آن همیشه 1 یا بیشتر است (هرگز 0 یا منفی نمی‌شود).
• عدد کوانتومی فرعی (ℓ): یک عدد صحیح است که شکل اوربیتال الکترون را تعیین می‌کند (به عنوان مثال، s=0، p=1). مقدار ℓ بزرگتر یا مساوی صفر و کوچکتر یا مساوی n-1 است.
• عدد کوانتومی مغناطیسی (mℓ): جهت‌گیری اوربیتال در فضا را مشخص می‌کند. مقادیر آن اعداد صحیحی بین -ℓ تا ℓ هستند. برای مثال، در اوربیتال p که ℓ=1 است، mℓ می‌تواند مقادیر -1، 0 و 1 را داشته باشد.
• عدد کوانتومی اسپین (ms): یک عدد نیمه صحیح است که مقدار آن یا 1/2- (اسپین پایین) یا 1/2 (اسپین بالا) است.

مثالی از اعداد کوانتومی: الکترون‌های کربن

برای الکترون‌های لایه ظرفیت بیرونی اتم کربن که در اوربیتال 2p قرار دارند، اعداد کوانتومی به این صورت هستند: n=2, ℓ=1, m=1, 0 یا -1 و s=1/2 (الکترون‌ها اسپین‌های موازی دارند).

اعداد کوانتومی، فراتر از الکترون‌ها

در حالی که اعداد کوانتومی معمولاً برای توصیف الکترون‌ها استفاده می‌شوند، می‌توان از آن‌ها برای توصیف نوکلئون‌ها (پروتون‌ها و نوترون‌ها) در هسته اتم یا ذرات بنیادی نیز بهره برد.