„… die Existenz von Unsicherheit muss für die Wissenschaft keine Quelle der Demütigung sein… Wenn eine winzige, aber entscheidende Unsicherheit Teil des Gefüges des Universums ist, ist das eine Hommage an die Wissenschaftler, die diese Tatsache entdeckt haben.“ –Isaac asimov
Das Unsicherheitsprinzip
Im Jahr 1927 schlug Werner Heisenberg aus rein theoretischer Sicht vor, dass es unmöglich sei, sowohl die Position als auch den Impuls des Elektrons gleichzeitig zu kennen. Diese Idee, die als Unschärferelation bekannt wurde, befasste sich mit der Wahrscheinlichkeit der Position eines Elektrons in einem Raumbereich und nicht mit seiner genauen Position.
Das Unschärfeprinzip war für viele Wissenschaftler schwer zu akzeptieren. Wenn sie diese Idee der Ungewissheit akzeptierten, bedeutete dies, dass der Mensch nicht in der Lage sei, alle Erkenntnisse zu erlangen, und dass die Wissenschaft möglicherweise nicht in der Lage sei, alles zu erklären. Aber nicht einmal Einstein konnte einen passenden Grund finden, die neue Idee nicht zu akzeptieren.
Angesichts des Unschärfeprinzips schlug Max Born 1928 vor, die Lösungen der Schrödinger-Wellengleichung als Beschreibung der Wahrscheinlichkeit zu verstehen, in bestimmten Bereichen des Raums Elektronen zu finden. Diese Lösungen in Form von Zahlen werden Quantenzahlen genannt.
Quantenzahlen beschreiben nicht nur spezifische quantisierte Energiezustände des Elektrons, sondern auch eine Reihe von Wahrscheinlichkeiten für die Position des Elektrons in einem bestimmten Energieniveau. Diese als Atomorbitale bekannten wahrscheinlichen Positionen beziehen sich auf eine Region im Raum, in der sich ein Elektron befinden könnte, während eine Umlaufbahn eine bestimmte Bahn im Raum ist. Da das Orbital keine eindeutigen Grenzen hat, wird es manchmal als Elektronenwolke bezeichnet.
Drei der Quantenzahlen stammen direkt aus der Schrödinger-Gleichung. Eine vierte Quantenzahl wurde später von Paul Dirac hinzugefügt, um die Auswirkungen der Relativitätstheorie zu erklären. Zusammen können diese vier Quantenzahlen verwendet werden, um den wahrscheinlichen Standort jedes Elektrons zu beschreiben. Noch wichtiger ist, dass Quantenzahlen die Elektronenkonfigurationen (Elektronenanordnungen) in allen Atomen beschreiben können.