量子数のソースを表示

[[量子力学]]において'''量子数''' (りょうしすう、{{lang|en|quantum number}}) とは、[[量子状態]]を区別するための数のこと。

量子数はただ1組とは限らず、原理的には多数存在しうる。状態を区別できるのであれば量子数はどのように選んでも良い。しかし系の物理量がとる値自身、またはそれを区別する数を量子数として採用するしか方法は無い。例えばN粒子系では、各粒子の位置<math>\bold{r}_1, \cdots, \bold{r}_N</math>を量子数に選んでも良いし、運動量<math>\bold{p}_1, \cdots, \bold{p}_N</math>を選ぶこともできる。このときは量子数は全部で3N個となる。また一次元調和振動子では、位置や運動量を選ぶこともできるが、エネルギー固有値<math>E_n</math>の番号<math>n</math>を選ぶこともできる。位置や運動量を量子数として選んだ場合は量子数は連続変数となるが、エネルギー固有値の番号を選んだ場合は量子数は離散値になる<ref>湯川秀樹、豊田利幸　編 「量子力学 Ｉ (新装版 現代物理学の基礎 第3巻)」岩波書店、2011年</ref>。

== 1粒子系 ==
1粒子系の[[ハミルトニアン]]の[[固有値問題]]（時間依存しない[[シュレーディンガー方程式]]）を解いた場合、解として多くの[[エネルギー固有状態]]・[[エネルギー固有値]]（以下、固有値）の組が得られる。解く段階では、それぞれのエネルギー固有状態に適当な番号付けが行われる。この番号が量子数であり、解である多くのエネルギー固有状態を量子数を使って区別する。

一般に得られる固有値は連続ではなく飛び飛びの値を持つので、普通は最もエネルギーの低い固有値をゼロ番目として、エネルギーの低いものから順に高いものに向かって番号付けしていくことが多い。

エネルギー固有状態は次の四つの量子数で区別される。
*主量子数 ''n''（{{lang|en|principal quantum number}}）
*[[方位量子数]] ''l''（軌道角運動量量子数、{{lang|en|azimuthal quantum number}}）
*[[磁気量子数]] ''m''<sub>l</sub>（軌道磁気量子数、{{lang|en|magnetic quantum number}}）
*[[スピン量子数|スピン磁気量子数]] ''m''<sub>s</sub>（{{lang|en|spin quantum number}}）

各量子数には次のような制限がある。
:<math>n = 1, 2, 3, \dots</math>
:<math>l = 0, 1, 2, \dots, n-1</math>
:<math>m_l = 0, \dots, \pm (l-1), \pm l</math>
[[パウリの排他原理]]によれば「四つの量子数（''n'', ''l'', ''m''<sub>l</sub>, ''m''<sub>s</sub>）で決まる一つの量子状態にはただ一つの[[電子]]しか入ることができない」。これは一般に[[半整数]]スピンの[[フェルミ粒子]]（電子など）には当てはまるが、[[整数]]スピンの[[ボーズ粒子]]（[[光子]]など）には当てはまらない。

[[フントの規則]]によれば「電子は1つずつ等エネルギーで磁気量子数''m<sub>''l''</sub>''が異なる別々の軌道に同じ電子スピン磁気量子数''m<sub>''s''</sub>''をとりながら配置されていく」。

== 水素原子における量子数 ==
{{Seealso|水素原子におけるシュレーディンガー方程式の解}}

''n'' = 1, ''l'' = 0　のとき1s軌道とよばれ、ここには二つの電子がそれぞれ異なるスピンをもって入る。

''n'' = 2, ''l'' = 1, ''m''<sub>l</sub> = 1　のときは2p<sub>''z''</sub>軌道とよばれ、やはり二つの電子が異なるスピンをもって入る。

多電子系の場合でも[[有効核電荷]]の概念を用いれば水素原子型に帰着できる。

== 主量子数 ==
主量子数 ''n'' は、電子の[[波動関数]]が原子半径方向の[[定常波]]を表す量子数と考えることができる。[[水素原子]]のように[[中心力]]だけを考えればよいモデルでは、固有値''ε<sub>n</sub>''（電子に許されるエネルギー）は主量子数 ''n'' だけの関数になり、次のようにとびとびの値になる。

:<math> \epsilon_n = - {Z^2 m_e e^4 \over {(4 \pi \epsilon_0 )^2 2 \hbar^2 } } {1 \over {n^2} } = -{(constant) \over {n^2} }</math>

ここで、''Z'' は [[原子番号]]、 ''Ze'' で[[原子核]]の電荷、''m<sub>e</sub>'' は電子の質量、''e'' は[[素電荷]]、''ε<sub>0</sub>'' は真空の[[誘電率]]である。水素原子の場合は ''Z'' = 1 である。なお、固有値''ε<sub>n</sub>'' は ''n''<sup>2</sup> 重に[[縮退]]している。なぜなら、主量子数が ''n'' のとき、方位量子数 ''l'' と磁気量子数 ''m<sub>l</sub> は

:<math>l = 0, 1, 2, \dots, n-1</math>
:<math>m_l = 0, \dots, \pm (l-1), \pm l \quad \to \quad (2 l + 1)</math>個

のいずれかの状態を取りうるから、状態の総数は各 ''l'' に対する ''m<sub>l</sub> を足し合わせて

:<math> \sum_{l = 0}^{n - 1} (2 l + 1) = n^2 </math>

のように''n''<sup>2</sup> 状態あるが、これらの状態は固有値には関与していないからである。ただし、一般には、外場の存在などにより縮退が解けるので、水素原子の固有値は主量子数 ''n'' と方位量子数 ''l'' の関数になる。以上は非相対論的に解いた結果であり、また、[[スピン軌道相互作用]]の影響や[[ラムシフト]]なども考慮していない。

== 素粒子における量子数 ==
{{main|フレーバー (素粒子)}}

[[素粒子]]は、それらに内在的であると通常は考えられる多くの量子数を含む。しかしながら、素粒子は[[素粒子物理学]]における[[標準模型]]の[[量子状態]]であると理解されるべきであり、それゆえ、これらの粒子の量子数と標準模型の[[ハミルトニアン]]の関係は[[ボーアの原子模型]]の量子数とそのハミルトニアンの関係と同じである。言い換えると、各量子数は問題の対称性を表すものである。これは、[[場の理論]]において、[[時空]]と内部対称性の間の区別をするためにより有用である。

[[時空対称性]]に関係する典型的な量子数は、[[スピン]]（回転対称性に関係）、[[パリティ]]、[[Cパリティ]]および[[Tパリティ]]（[[時空]]の[[ポアンカレ群|ポアンカレ対称性]]に関係）である。'''内部対称性'''に関係する典型的な量子数は、[[レプトン数]]および[[バリオン数]]または[[電荷]]である。（この種の量子数の詳細な記述は[[フレーバー (素粒子)|フレーバー]]を参照）

多くの保存する量子数は加法的である。つまり、素粒子の反応において、量子数の総和は反応の前後で同じであるべきである。しかしながら、いくつかの量子数（通常は''パリティ''）は乗法的であり、それらの積は保存する。すべての乗法的な量子数は、対称性変換を二度行う操作は何もしない操作と等価であるような対称性（パリティのような）に属する。加法的対称性および乗法的対称性は、'''Z<sub>2</sub>'''と呼ばれる抽象[[群 (数学)|群]]の性質である。

== 参考文献 ==
<references/> 

== 関連項目 ==
*[[パウリの排他原理]]
*[[水素原子におけるシュレーディンガー方程式の解]]
*[[軌道角運動量]]
*[[スピン軌道相互作用]]
*[[ラムシフト]]
*[[スピン角運動量]]
*[[良い量子数]]

{{DEFAULTSORT:りようしすう}}
{{physics-stub}}
{{chem-stub}}

[[Category:量子数|*]]
[[Category:量子力学]]