量子数
量子数是量子力学中表述原子核外电子运动的一组整数或半整数。因为核外电子运动状态的变化不是连续的，而是量子化的，所以量子数的取值也不是连续的，而只能取一组整数或半整数。量子数包括主量子数n、角量子数l、磁量子数m和自旋量子数ms四种，前三种是在数学解析薛定谔方程过程中引出的，而最后一种则是为了表述电子的自旋运动提出的。
简介
表征原子、分子、原子核或次原子粒子状态和性质的数。通常取整数或半整数分立值。量
子数是这些粒子系统内部一定相互作用下存在某些守恒量的反映，与这些守恒量相联系的量子数又称为好量子数，它们可表征粒子系统的状态和性质。在原子物理学中，对于单电子原子（包括碱金属原子）处于一定的状态，有一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。表征其性质的量子数是主量子数n、角量子数l、自旋量子数，和总角动量量子数j；在弱磁场中，表征状态的量子数要增加总角动量磁量子数mj；在强磁场中，LS耦合解除，表征其状态的量子数是主量子数n、角量子数l、其磁量子数ml和自旋磁量子数ms；对于多电子原子(LS情形)，单个电子的量子数不是好量子数，表征原子状态的量子数是总轨道角动量量子数L、总自旋角动量量子数S以及LS耦合的总角动量子数J。在分子物理学中，分子内部还有振动和转动，表征分子状态除了有电子态的量子数外，还有振动量子数和转动量子数。在核物理学和粒子物理学中，表征核和次原子粒子的状态和性质有电荷、角动量、宇称、轻子数、重子数、同位旋及其第三分量、超荷、G宇称，等等。
表征微观粒子运动状态的一些特定数字．量子化的概念最初是由马克斯·普朗克引入的，即电磁辐射的能量和物体吸收的辐射能量只能是量子化的，是某一最小能量值的整数倍，这个整数n称为量子数．事实上不仅原子的能量还有它的动量、电子的运行轨道、电子的自旋方向都是量子化的，即是说电子的动量、运动轨道的分布和自旋方向都是不连续的，此外我们将看到不仅电子还有其它基本粒子的能量、运动轨道分布、磁矩等都是量子化．
在多电子原子中，轨道角动量量子数也是决定电子能量高低的因素。所以，在多电子原子中，主量子数相同、轨道角动量量子数...上述三个量子数的合理组合决定了一个原子轨道。但要描述电子的运动状态还需要有第四个量子数—自旋角动量量子数
表示原子内电子运动的能量、角动量、……等的一组整数或半整数。按量子力学原理，原子中核外电子运动、状态、角动量都不是连续变化的，而是跳跃式变化的，即量子化的。量子数有主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数。
分类
主量子数
描述电子在原子核外运动状态的4个量子数之一，习惯用符号n表示。它的取值是正整数，……主量
子数是决定轨道（或电子）能量的主要量子数。对同一元素，轨道能量随着n的增大而增加。在周期表中有些元素会发生轨道能量“倒置”现象。例如，在2O号Ca元素处，K（19号）的，不符合n越大轨道能越高的规律。而Sc（21号）的。其他如，……等也有类似情况。在同一原子内，主量子数相同的轨道，电子出现几率最大的空间范围几乎是相同的，因此把主量子数相同的轨道划为一个电子层，并分别用电子层符号K、L、M、N、O、P对应于等。n越大，表示电子离核的平均距离也越大。每个电子层所能容纳的电子数可按2n2计算。轨道能虽有局部倒置现象，但用（l为角量子数）的值作为填充电子次序的规则却是十分方便和基本正确的。此外，根据n的大小可以预测轨道的径向分布情况：即当n、l确定后，轨道应有个径向极值和个径向节面（节面上电子云密度为O）。对于相同l的轨道来说，n越大，径向分布曲线的最高峰离核越远，但它的次级峰恰可能出现在离核较近处。这就是轨道的“钻穿”，并产生各轨道间相互渗透的现象。
电子能层为第1(K)、第2(L)、第3(M)、第4(N)、……。氢原子内电子在各能层的能量为：
，氢原子内电子在第一能层的能量为－13.6电子伏；，氢原子内电子在第二能层的能量为－3.4电子伏；……；n愈大，能量愈高。
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，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。
表示轨道角动量的量子数。角动量用Μl表示：
角量子数用l表示，取值为，h为普朗克常数。l值表示原子轨道或电子云的形状。,原子轨道或电子云是球形对称的；,电子云是无把哑铃形;,电子云为花瓣形;的电子云形状更为复杂。光谱学上以 s、p、d、f、…分别表示如分别以表示。或者说,l表示同一电子能量中的分层。各分层能量高低的关系如下:l值相同而n值不同，则；n值相同而l值不同，则。从能量角度看，一个分层代表一个能级。
磁量子数m决定原子轨道（或电子云）在空间的伸展方向。当l给定时，m的取值为从-l到+l之间的一切整数（包括0
在内），即，共有个取值。即原子轨道（或电子云）在空间有个伸展方向。原子轨道（或电子云）在空间的每一个伸展方向称做一个轨道。例如，时，s电子云呈球形对称分布，没有方向性。m只能有一个值，即，说明s亚层只有一个轨道为s轨道。当时，m可有-1，0，+1三个取值，说明p电子云在空间有三种取向，即p亚层中有三个以x,y,z轴为对称轴的px，py，pz轨道。当时，m可有五个取值，即d电子云在空间有五种取向，d亚层中有五个不同伸展方向的d轨道
m为磁量子数，取值为，共有个取值。,表明只有一个轨道，即2s;,表示有三个空间取向不同的轨道，即。无外加磁场时，三个轨道的能量相同；有外加磁场时，因三个轨道在磁场中的取向不同，表现出较小的能量差别，所以某些线状光谱分裂成几条。
自旋量子数
自旋量子数用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。
通常用向上和向下的态射来代表，即↑代表正方向自旋电子，↓代表逆方向自旋电子。
为自旋量子数，取值为，表明一个轨道上最多只能容纳自旋反向的两个电子。
意义
量子数描述量子系统中动力学上各守恒数的值。它们通常按性质地描述原子中电子的各能量，但也会描述其他物
理量（如角动量、自旋等）。由於任何量子系统都能有一个或以上的量子数，列出所有可能的量子数是件没有意义的工作。每一个系统都必需要对系统进行全面分析。任何系统的动力学都由一量子哈密顿算符，H，所描述。系统中有一量子数对应能量，即哈密顿算符的特徵值。对每一个算符O而言，还有一个量子数可与哈密顿算符交换（即满足这条关系式）。这些是一个系统中所能有的所有量子数。注意定义量子数的算符O应互相独立。很多时候，能有好几种选择一组互相独立算符的方法。故此，在不同的条件下，可使用不同的量子数组来描述同一个系统。
最被广为研究的量子数组是用於一原子的单个电子：不只是因为它在化学中有用（它是周期表、化合价及其他一系列特性的基本概念），还因为它是一个可解的真实问题，故广为教科书所采用。
在非相对论性量子力学中，这个系统的哈密顿算符由电子的动能及势能（由电子及原子核间的库仑力所产生）。动能可被分成，有环绕原子核的电子角动量，J的一份，及余下的一份。由於势能是球状对称的关系，其完整的哈密顿算符能与J2交换。而J2本身能与角动量的任一分量（按惯例使用Jz）交换。由於这是本题中唯一的一组可交换算符，所以会有三个量子数。
基本粒子
基本粒子包含不少量子数，一般来说它们都是粒子本身的。但需要明白的是，基本粒子是粒子物理学上标准模型
的量子态，所以这些粒子量子数间的关系跟模型的哈密顿算符一样，就像奥格·玻尔原子量子数及其哈密顿算符的关系那样。亦即是说，每一个量子数代表问题的一个对称性。这在场论中有着更大的用处，被用於识别时空及内对称。
一般跟时空对称有关系的量子数有自旋（跟旋转对称有关）、宇称、C-宇称、T-宇称（跟时空上的亨利·庞加莱对称有关系）。一般的内对称有轻子数、重子数及电荷数。条目味有这些量子数的更详细列表。
值得一提的是较次要但常被混淆的一点。大部分守恒量子数都是可相加的。故此，在一基本粒子反应中，反应前後的量子数总和应相等。然而，某些量子数（一般被称为宇称）是可相乘的；即它们的积是守恒的。所以可相乘的量子数都属於一种对称（像守恒那样），而在这种对称中使用两次对称变换式跟没用过是一样的。它们都属於一个叫Z2的抽象群。