Qual è l'equazione cartesiana della sfera?

(x-a)² + (y-b)² + (z-c)² = r²

(x-a)² + (y-b)² + (z-c)² = r³

(x-a)² + (y-b)² + (z-c)² = r

Quale delle seguenti equazioni rappresenta una sfera con centro in (-2, 3, 1) e raggio 5?

(x+2)² + (y-3)² + (z-1)² = 25

(x-2)² + (y+3)² + (z+1)² = 25

(x-2)² + (y+3)² + (z+1)² = 5

(x+2)² + (y-3)² + (z-1)² = 5

Equazione cartesiana della sfera

Figlio di un decurione, Patricio, ancora pagano, e della cristiana Monnica, fu iscritto tra i catecumeni; compì gli studi in patria, a Madaura, poi a Cartagine: periodo da lui descritto come di abbandono alle passioni amorose. Da una concubina ebbe nel 372 un figlio, Adeodato. La lettura dell'Hortensius ciceroniano lo attrasse, diciannovenne, alla filosofia, e aderì presto al manicheismo, presentatogli come spiegazione scientifica dell'universo. Se ne fece anzi propagandista a Tagaste, dopo la morte del padre, e a Cartagine ove ottenne qualche successo come retore, e scrisse il suo primo libro, De pulchro et apto (perduto), in cui pare si sforzasse a dare veste filosofica al manicheismo, nel quale era però rimasto semplice uditore. Passò poi, abbandonando la madre, a Roma; quindi, su raccomandazione di Simmaco, come professore ufficiale di retorica (autunno 384), a Milano, ove maturò la crisi spirituale, in seguito alla quale, dimessa la concubina e rinunciando al matrimonio vantaggioso per cui insisteva Monnica, si decise ad abbracciare il cristianesimo, che gli si palesava, allora, come in pieno e perfetto accordo con la filosofia neoplatonica e la predicazione di s. Ambrogio. A Cassiciacum (probabilmente Cassago, in Brianza), dimessosi dalla cattedra, scrisse le prime opere pervenuteci (i dialoghi Contra academicos, De vita beata, De ordine e Soliloquia) e cominciò a comporre una serie di manuali delle arti liberali; fu battezzato da s. Ambrogio la notte del sabato santo (24-25 aprile) del 387. Trascorse a Roma l'inverno (Monnica morì ad Ostia nel novembre) e tornò a Tagaste, continuando, nella vita monastica, la sua attività di scrittore. Nel 391 fu ordinato sacerdote a Ippona, ove, tra la fine del 395 e il 396, fu consacrato come successore dal vescovo Valerio già prossimo a morte; lo stesso fece poi (426) A. col prete Eraclio. Le reliquie, portate in Sardegna da s. Fulgenzio e altri vescovi esuli nel 486, furono dopo l'invasione saracena trasportate, per opera del re Liutprando, a Pavia ove gli fu eretto il monumento: ma che fossero di lui quelle ritrovate nel 1695 fu contrastato dal Muratori e da altri. Nei 34 anni di episcopato lo tennero occupato, oltre le cure costanti dedicate alla sua chiesa, la copiosa corrispondenza (ci sono giunte 218 lettere di A., oltre i trattatelli in forma epistolare, e 53 dirette a lui), la predicazione (i sermoni conservati e noti finora sono più di 500), i concilî e le eresie e scismi, la lotta contro i quali assorbì grandissima parte dell'attività letteraria, che ha reso A. proverbiale come uno non solo dei più dotti e profondi, ma dei più fecondi scrittori mai esistiti. Appunto le polemiche, insieme con la conversione, l'ordinazione e la consacrazione, contrassegnano, all'ingrosso, anche periodi dello svolgimento del pensiero di lui. Con la conversione comincia la polemica contro i manichei, già accennata nei "Dialoghi di Cassiciaco" e continuata in una serie di scritti per lo più filosofico-religiosi (per es. De quantitate animae, De libero arbitrio, il libro VI De musica, De magistro, De vera religione, De utilitate credendi), in cui vediamo A. passare gradatamente dall'affermazione della superiorità essenziale della ragione sulla fede, a quella dell'utilità e ragionevolezza dell'affidarsi all'auctoritas fondata sulla rivelazione e universalmente riconosciuta, della Chiesa; ed elaborare insieme la sua caratteristica dottrina della conoscenza. La felicità, cui gli uomini aspirano, non si consegue senza il possesso della verità. Contro gli scettici, egli usa l'argomento principe: se dubito, so di dubitare, dunque di essere; se sbaglio, sono (motivo che da taluni storici della filosofia viene indicato tra gli antecedenti del dubbio cartesiano: non sfugge comunque il diverso contesto). Ma la verità va cercata in me stesso: è la dottrina neoplatonica del ritorno su sé stessa dell'anima, che, riconosciuta la mutevolezza del mondo esteriore, percepito dai sensi, e la sua propria, si avvia a ricercare la verità immutabile, per cui è vero ogni ragionamento vero, e che è Dio medesimo. I sensi, dunque, e anche le parole del maestro, non fanno se non ridestare idee, che sono già nell'anima: non però nel senso della dottrina platonica della reminiscenza, ma in quanto in interiore homine habitat veritas, parla cioè, in fondo all'anima, il Maestro interiore, il Verbo divino; nell'uomo (in interiore homine) brilla la luce del vero che dona a ciascuno le rationes aeternae, principio e fondamento di ogni giudizio. È questa la teoria detta dell'illuminazione, che, non del tutto chiarita da A., si presta a varie interpretazioni (secondo che le rationes aeternae si intendano come "idee innate", o come "categorie" del giudizio); essa si collega alla dottrina del "maestro interiore", il Verbo, il solo vero maestro: sicché l'insegnare degli uomini è solo un preparare ad ascoltare la voce del Verbo divino. Queste dottrine furono da A. mantenute anche in opere posteriori ma il primitivo entusiasmo per Platone, Plotino e i "platonici" (che, se fossero vissuti ora, - dice - si sarebbero fatti cristiani) e per i neoplatonici si affievolì col tempo. La polemica antimanichea venne continuata in altri scritti (per es. Contra Adimantum, Contra epistolam Manichaei quam vocant fundamenti) fino al voluminoso Contra Faustum e ad altri opuscoli fino al 405 circa, poi sporadicamente in un paio di opuscoli e, in parte, nel trattatello contro tutte le eresie (De haeresibus, 428-29). L'ordinazione sacerdotale obbliga A. a spiegare al popolo i libri sacri; egli partecipa più intimamente della vita della Chiesa e viene a conoscere lo scisma che tormenta la Chiesa africana. Comincia così la polemica contro il donatismo, con l'interessante Psalmus abecedarius contra partem Donati, primo esempio degli scritti popolareggianti di A. (versi di 16 sillabe, abbandono della prosodia e metrica classica, assonanza in e), poi con una serie di opere (Contra epistolam Parmeniani, De baptismo, Contra litteras Petiliani, Contra Cresconium) fino alla grande "conferenza" di Cartagine (411; Breviculus collationis cum donatistis) quindi, con minor frequenza di scritti, sino al Contra Gaudentium (420 circa). In questa polemica, che lo portò a occuparsi dell'ecclesiologia, A. segue s. Cipriano e s. Ottato mantenendo fermissimo il principio della validità ed efficacia obiettiva (ex opere operato) dei Sacramenti, la cattolicità e l'unità della Chiesa, fuori della quale non v'è salvezza e che è corpus permixtum: ne fanno parte cioè grano e zizzania, buoni e malvagi, che soltanto Gesù Cristo ha diritto di separare nel giorno del Giudizio. Ma mentre all'inizio, e ancora nel 411, A. non voleva ricorrere ad altro mezzo che la persuasione attraverso la discussione, tuttavia, con le leggi di Onorio contro gli scismatici e di fronte alla loro ostinazione, cambiò parere: e come dalla netta distinzione tra scisma ed eresia passò a definire questa quale "scisma inveterato", così ammise la legittimità e necessità della coercizione e del ricorso all'autorità civile, fissando altresì il dovere per il sovrano cristiano di attenersi al magistero della chiesa.Ma con l'ordinazione A. si dedica anche con maggiore intensità allo studio della Bibbia: specialmente del Genesi, passando dall'interpretazione strettamente allegorica (De Genesi adversus Manichaeos, 388-90) a quella letterale, e insieme di valore filosofico (De Genesi ad litteram liber imperfectus), e di s. Paolo (Expositio quarundam propositionum ex Epistola ad Romanos, Epistolae ad Romanos expositio inchoata, Expositio Epistolae ad Galatas, parecchie delle questioni trattate nel De diversis quaestionibus octogintatribus). Cogliamo qui un momento importantissimo nello svolgimento del pensiero teologico di A., e oggetto di molte discussioni. Egli si è sforzato di mantenere in primo luogo la giustizia di Dio, che premia i buoni, cioè coloro che credendo si acquistano un merito, e che punisce i malvagi. Ma, dopo un lungo sforzo, A. viene a riconoscere che il momento iniziale dell'atto di fede, l'initium fidei, che è initium salutis, non è opera dell'uomo ma viene da Dio: al quale non si può tuttavia rimproverare alcuna ingiustizia, se, gratuitamente, fa grazia ad alcuni; mentre gli uomini tutti, in cui sopravvive il peccato originale, non meritano se non la condanna. Questi concetti appaiono per la prima volta con tutta chiarezza, nel primo scritto posteriore all'episcopato di A., il De diversis quaestionibus ad Simplicianum. Frutto di questa conquista del suo pensiero, che lo induce a rimeditare sulla sua vita, si possono considerare le Confessioni (398 circa), nelle quali, altresì, sono ripresi altri due temi che lo appassionano: quello della cultura cristiana e quello dei principî che presiedono all'interpretazione della Scrittura. La prima questione è da lui affrontata sotto l'aspetto teorico nel De doctrina christiana (interrotto, ma ripreso e terminato nel 426): come anche nelle Confessioni A. è sensibile ai pericoli della cultura tradizionale, pagana, ma vuole salvarne il buono, che va assunto e fatto proprio dal cristianesimo. Così, conchiudendo una lunga controversia, A. assicura col peso della sua autorità la trasmissione della cultura antica. Ma nelle Confessioni il problema della memoria (in essa è la misura del tempo) trascina seco quello della creazione. A. la ritiene avvenuta nel tempo, anzi col tempo, dal nulla, e per tutte le cose simultaneamente, ma non allo stesso modo: ché alcune furono create da Dio non in atto e nella loro forma perfetta, ma solo in potenza, o in germe (rationes seminales, energie latenti destinate a svilupparsi nel tempo e a produrre, al momento opportuno per ciascuno, i diversi esseri). A queste conclusioni A. è portato da un nuovo studio dei primi 3 capitoli del Genesi (De Genesi ad litteram libri XII, tra il 401 circa e il 415 circa). Accanto al quale, tra le opere esegetiche, vanno ricordati il De consensu evangelistarum (400 circa), le Enarrationes in Psalmos, e i Tractatus in evangelium Iohannis, raccolte di sermoni su questi libri. Ma nelle Confessioni A. ha inserito anche un'istruzione catechetica (proprio con il commento al Genesi), affine a quella da lui data in un'altra operetta, il De catechizandis rudibus (400 circa). E il motivo della memoria, che appare nelle Confessioni, diventa importantissimo in un altro trattato su cui A. si affaticò lungo (400 circa -416 circa): il De Trinitate. L'anima è un pensiero (mens) da cui nasce una conoscenza (notitia), e nel suo rapportarsi a questa conoscenza nasce l'amore che essa si porta (amor). Nell'anima o, meglio, nella memoria, nell'intelletto e nella volontà, nella parte cioè più alta e nobile di essa, che ricorda, comprende e ama sé stessa, ma soprattutto ricorda, conosce e ama Dio, A. scorge le "vestigia" della Trinità divina. Di essa, criticando talvolta le formule di s. Ilario di Poitiers, egli mette in rilievo l'unità di sostanza, insistendo sull'uguaglianza delle tre Persone: le operazioni ad extra sono l'opera indistinta di tutte, ciò che si dice di ciascuna quanto alla sostanza, e anche alla sapienza e altri attributi, è comune, uguale, identico e numericamente uno in tutte; mentre esse si distinguono e si oppongono secondo le loro relazioni reciproche. Teoria che, chiarendo la processione dello Spirito Santo principaliter, sì, dal Padre, ma anche dal Figlio, divenne importantissima per lo svolgimento della teologia occidentale, cui A. ha legato il carattere "cristocentrico", conforme alla tendenza fondamentale del suo pensiero, aggirantesi intorno alla persona e all'opera del Cristo ed alla redenzione dell'uomo dal peccato, mercé la grazia. Intorno a questi temi scoppiò la polemica con Pelagio, già scandalizzatosi in Roma per l'invocazione delle Confessioni a Dio: da quod iubes et iube quod vis e ora rifugiatosi in Africa con il suo compagno Celestio (che, denunciato da Paolino di Milano, venne condannato nel 411 da un concilio locale, a Cartagine). Si possono distinguere in essa varie fasi: quella iniziale, in cui A. combatte ancora soltanto le dottrine, non gli uomini, che sa molto stimati (De peccatorum meritis et remissione, a Marcellino, il l. III composto dopo che A. ebbe conosciuto il commento di Pelagio a s. Paolo; De spiritu et littera ad Marcellinum e, a complemento, per asserire la necessità delle opere buone accanto alla fede, De fide et operibus; nonché il De bono viduitatis, dedicato a Giuliana, madre di Demetriade, in occasione della monacazione di questa); quella della polemica diretta, provocata dalle vicende di Pelagio in Oriente fino alla condanna da parte del papa Innocenzo I (con la celebre affermazione che, dopo tanti concilî, anche Roma locuta est; causa finita est; utinam aliquando finiatur error) e, dopo il grande concilio di Cartagine (418) da papa Zosimo (De natura et gratia contra Pelagium, De perfectione iustitiae hominis, contro Celestio, De gestis Pelagii, De gratia Christi et peccato originali); quella della lotta contro i pertinaci difensori di Pelagio (De nuptiis et concupiscentia ad Valerium comitem, Contra duas epistolas Pelagianorum, Contra Iulianum, e Contra secundam Iuliani responsionem, il cosiddetto Opus imperfectum, contro lo stesso Giuliano di Eclano, interrotto per la morte di A.), intesa al tempo stesso a chiarire la sua dottrina ai monaci di Adrumeto (De gratia et libero arbitrio, e De correptione et gratia, dedicati all'abate Valentino) e a combattere i "semipelagiani" della Gallia meridionale, insorti contro questi scritti (De praedestinatione sanctorum e De dono perseverantiae). Questa dottrina agostiniana del peccato originale, della grazia e della predestinazione, precisatasi ma anche irrigiditasi e spinta alle estreme conseguenze nell'ardore della polemica, si è prestata a varie e contrastanti interpretazioni. A. prende le mosse dalla condizione di Adamo, creato esente dalla morte (posse non mori, diverso da non posse mori proprio degli esseri spirituali) e dalla concupiscenza, capace quindi di non peccare (il posse non peccare, diverso dal non posse peccare degli eletti), e nella piena libertà di optare per il bene conformandosi a una ragione che aveva il perfetto predominio sui sensi, capace altresì di perseverare nel bene, grazie all'aiuto (adiutorium sine quo non) concessogli da Dio. Avendo Adamo peccato, la sua colpa si trasmise all'intero genere umano, divenuto così massa damnata; peccato di origine, che A. dimostra, fra l'altro, in base all'uso della Chiesa di amministrare agli infanti il battesimo che annulla la concupiscenza in quanto reato, ma la lascia sopravvivere actu, così che l'uomo, pur conservando il libero arbitrio, è privato di quella libertas ... quae in Paradiso fuit (Enchir. 26-27). Per poter resistere cioè alla concupiscenza, occorre ora un aiuto divino maggiore di quello dato ad Adamo: la grazia è dunque necessaria per avere la fede, e questa perché vi sia quell'amore di Dio, in quanto sommo bene, senza di che non esiste né beatitudine né vera moralità (e non vi sono pertanto vere virtù fra i pagani). Ma questo soccorso (adiutorium quo) non è concesso a tutti: Dio, senza alcuna ingiustizia, ma per un suo gratuito atto di misericordia, prepara per alcuni i mezzi, pienamente efficaci, per condurli alla salvezza cui li ha predestinati ab aeterno. Accusato dai pelagiani di manicheismo, A. tuttavia, come si vede, non considera come malvagia la stessa natura umana, e non condanna la procreazione: nel matrimonio, il male è la concupiscentia carnis; e anche questo può essere rivolto a un fine buono, la generazione dei figli congiunta alla volontà della loro rigenerazione attraverso il battesimo. Ma i bambini morti senza di questo, secondo A., non si sottraggono alla pena eterna. Poiché la trasmissione del peccato originale si spiegava più facilmente mediante la teoria secondo cui l'anima è generata, spiritualmente, da quella dei genitori (traducianismo), mentre, più conforme alla sua dottrina dell'illuminazione, era l'altra teoria, della creazione di ogni anima da Dio (creazionismo), A. rimase incerto fino all'ultimo (De anima et eius origine, 419-20). E poiché è ignoto chi siano gli eletti, la concezione agostiniana della predestinazione coincide con quella della Chiesa come corpus permixtum (v. sopra). La scossa profonda data a tutto il mondo romano dall'incursione di Alarico, le querimonie dei pagani additanti nel cristianesimo la causa di tutti i mali del mondo, indussero A. a meditare sulla storia, e a scrivere l'altra delle sue opere maggiori e più celebri dopo le Confessioni: il De civitate Dei. Nel corso della storia procedono unite le due città (Civitas Dei e Civitas terrena), nate l'una dall'amor Dei usque ad contemptum sui, l'altra dall'amor sui usque ad contemptum Dei e predestinate, la prima a regnare in eterno con Dio, l'altra a subire l'eterno supplizio. Neppure quest'opera è, in fondo, davvero sistematica; cosciente dello sviluppo del proprio pensiero, A. sembra invitare i lettori a imitarlo nello sforzo di progredire: del resto volle egli stesso correggere i suoi errori (ma anche dimostrare, specie contro i manichei, la sua fondamentale coerenza) in quella originalissima rassegna dei suoi scritti che sono le Retractationes (426-27). Va menzionato ancora, breve e bellissimo compendio della dottrina cristiana, l'Enchiridium ad Laurentium (De fide, spe, charitate, 421); e va almeno accennato il valore letterario dei suoi scritti, specie delle Confessioni. Festa, 28 agosto. L'interesse educativo di A. non è limitato ai problemi pedagogici più dibattuti dalla Patristica, e cioè all'utilizzazione della cultura pagana nella formazione dei ragazzi, ed ai modi e metodi dell'educazione religiosa. Esso si connette piuttosto ad un tema filosofico fondamentale nella sua speculazione, quello della "verità interiore" e quindi con la dottrina dell'illuminazione. Il processo educativo consiste nel trarre alla luce la verità, nel ritrovare Dio-maestro nel profondo dell'anima (Christus intus docet). Il maestro vero è quindi solo Cristo, i maestri terreni non possono far altro che stimolare la riscoperta della verità stessa che è in noi come segno della presenza di Dio. Dal punto di vista didattico A. accoglie la necessaria propedeutica delle "arti liberali", ma la cultura per sé non è indispensabile, poiché le virtù cristiane si realizzano anche al di fuori di esse. Necessaria è invece la cultura religiosa da impartire anche alle menti più rozze: nel De catechizandis rudibus Agostino parla di tale opera educativa, ponendo in rilievo la funzione fondamentale che ha in essa l'amore con cui il maestro discende al livello dell'educando (così come Cristo ha fatto per l'uomo facendosi uomo) e vivifica anche gli aspetti più elementari e consueti del fatto educativo.

Equation of a line, cartesian plane

Understanding Quantum Theory of Electrons in Atoms The goal of this section is to understand the electron orbitals (location of electrons in atoms), their different energies, and other properties. The use of quantum theory provides the best understanding to these topics. This knowledge is a precursor to chemical bonding. As was described previously, electrons in atoms can exist only on discrete energy levels but not between them. It is said that the energy of an electron in an atom is quantized, that is, it can be equal only to certain specific values and can jump from one energy level to another but not transition smoothly or stay between these levels. The energy levels are labeled with an n value, where n = 1, 2, 3, …. Generally speaking, the energy of an electron in an atom is greater for greater values of n. This number, n, is referred to as the principal quantum number. The principal quantum number defines the location of the energy level. It is essentially the same concept as the n in the Bohr atom description. Another name for the principal quantum number is the shell number. The shells of an atom can be thought of concentric circles radiating out from the nucleus. The electrons that belong to a specific shell are most likely to be found within the corresponding circular area. The further we proceed from the nucleus, the higher the shell number, and so the higher the energy level (Figure 9.4.1). The positively charged protons in the nucleus stabilize the electronic orbitals by electrostatic attraction between the positive charges of the protons and the negative charges of the electrons. So the further away the electron is from the nucleus, the greater the energy it has. This quantum mechanical model for where electrons reside in an atom can be used to look at electronic transitions, the events when an electron moves from one energy level to another. If the transition is to a higher energy level, energy is absorbed, and the energy change has a positive value. To obtain the amount of energy necessary for the transition to a higher energy level, a photon is absorbed by the atom. A transition to a lower energy level involves a release of energy, and the energy change is negative. This process is accompanied by emission of a photon by the atom. The following equation summarizes these relationships and is based on the hydrogen atom: The values nf and ni are the final and initial energy states of the electron. The principal quantum number is one of three quantum numbers used to characterize an orbital. An atomic orbital, which is distinct from an orbit, is a general region in an atom within which an electron is most probable to reside. The quantum mechanical model specifies the probability of finding an electron in the three-dimensional space around the nucleus and is based on solutions of the Schrödinger equation. In addition, the principal quantum number defines the energy of an electron in a hydrogen or hydrogen-like atom or an ion (an atom or an ion with only one electron) and the general region in which discrete energy levels of electrons in a multi-electron atoms and ions are located. Another quantum number is l, the angular momentum quantum number. It is an integer that defines the shape of the orbital, and takes on the values, l = 0, 1, 2, …, n – 1. This means that an orbital with n = 1 can have only one value of l, l = 0, whereas n = 2 permits l = 0 and l = 1, and so on. The principal quantum number defines the general size and energy of the orbital. The l value specifies the shape of the orbital. Orbitals with the same value of l form a subshell. In addition, the greater the angular momentum quantum number, the greater is the angular momentum of an electron at this orbital. Orbitals with l = 0 are called s orbitals (or the s subshells). The value l = 1 corresponds to the p orbitals. For a given n, p orbitals constitute a p subshell (e.g., 3p if n = 3). The orbitals with l = 2 are called the d orbitals, followed by the f-, g-, and h-orbitals for l = 3, 4, 5, and there are higher values we will not consider. There are certain distances from the nucleus at which the probability density of finding an electron located at a particular orbital is zero. In other words, the value of the wavefunction ψ is zero at this distance for this orbital. Such a value of radius r is called a radial node. The number of radial nodes in an orbital is n – l – 1. Consider the examples in Figure 9.4.2. The orbitals depicted are of the s type, thus l = 0 for all of them. It can be seen from the graphs of the probability densities that there are 1 – 0 – 1 = 0 places where the density is zero (nodes) for 1s (n = 1), 2 – 0 – 1 = 1 node for 2s, and 3 – 0 – 1 = 2 nodes for the 3s orbitals. The s subshell electron density distribution is spherical and the p subshell has a dumbbell shape. The d and f orbitals are more complex. These shapes represent the three-dimensional regions within which the electron is likely to be found. Principal quantum number (n) & Orbital angular momentum (l): The Orbital Subshell: https://youtu.be/ms7WR149fAY If an electron has an angular momentum (l ≠ 0), then this vector can point in different directions. In addition, the z component of the angular momentum can have more than one value. This means that if a magnetic field is applied in the z direction, orbitals with different values of the z component of the angular momentum will have different energies resulting from interacting with the field. The magnetic quantum number, called ml, specifies the z component of the angular momentum for a particular orbital. For example, for an s orbital, l = 0, and the only value of ml is zero. For p orbitals, l = 1, and ml can be equal to –1, 0, or +1. Generally speaking, ml can be equal to –l, –(l – 1), …, –1, 0, +1, …, (l – 1), l. The total number of possible orbitals with the same value of l (a subshell) is 2l + 1. Thus, there is one s-orbital for ml = 0, there are three p-orbitals for ml = 1, five d-orbitals for ml = 2, seven f-orbitals for ml = 3, and so forth. The principal quantum number defines the general value of the electronic energy. The angular momentum quantum number determines the shape of the orbital. And the magnetic quantum number specifies orientation of the orbital in space, as can be seen in Figure 9.4.3. Figure 9.4.4 illustrates the energy levels for various orbitals. The number before the orbital name (such as 2s, 3p, and so forth) stands for the principal quantum number, n. The letter in the orbital name defines the subshell with a specific angular momentum quantum number l = 0 for s orbitals, 1 for p orbitals, 2 for d orbitals. Finally, there are more than one possible orbitals for l ≥ 1, each corresponding to a specific value of ml. In the case of a hydrogen atom or a one-electron ion (such as He+, Li2+, and so on), energies of all the orbitals with the same n are the same. This is called a degeneracy, and the energy levels for the same principal quantum number, n, are called degenerate energy levels. However, in atoms with more than one electron, this degeneracy is eliminated by the electron–electron interactions, and orbitals that belong to different subshells have different energies. Orbitals within the same subshell (for example ns, np, nd, nf, such as 2p, 3s) are still degenerate and have the same energy. While the three quantum numbers discussed in the previous paragraphs work well for describing electron orbitals, some experiments showed that they were not sufficient to explain all observed results. It was demonstrated in the 1920s that when hydrogen-line spectra are examined at extremely high resolution, some lines are actually not single peaks but, rather, pairs of closely spaced lines. This is the so-called fine structure of the spectrum, and it implies that there are additional small differences in energies of electrons even when they are located in the same orbital. These observations led Samuel Goudsmit and George Uhlenbeck to propose that electrons have a fourth quantum number. They called this the spin quantum number, or ms. The other three quantum numbers, n, l, and ml, are properties of specific atomic orbitals that also define in what part of the space an electron is most likely to be located. Orbitals are a result of solving the Schrödinger equation for electrons in atoms. The electron spin is a different kind of property. It is a completely quantum phenomenon with no analogues in the classical realm. In addition, it cannot be derived from solving the Schrödinger equation and is not related to the normal spatial coordinates (such as the Cartesian x, y, and z). Electron spin describes an intrinsic electron “rotation” or “spinning.” Each electron acts as a tiny magnet or a tiny rotating object with an angular momentum, even though this rotation cannot be observed in terms of the spatial coordinates. The magnitude of the overall electron spin can only have one value, and an electron can only “spin” in one of two quantized states. One is termed the α state, with the z component of the spin being in the positive direction of the z axis. This corresponds to the spin quantum number ms=12. The other is called the β state, with the z component of the spin being negative and ms=−12. Any electron, regardless of the atomic orbital it is located in, can only have one of those two values of the spin quantum number. The energies of electrons having ms=−12 and ms=12 are different if an external magnetic field is applied. Figure 9.4.5 illustrates this phenomenon. An electron acts like a tiny magnet. Its moment is directed up (in the positive direction of the z axis) for the 12 spin quantum number and down (in the negative z direction) for the spin quantum number of −12. A magnet has a lower energy if its magnetic moment is aligned with the external magnetic field (the left electron) and a higher energy for the magnetic moment being opposite to the applied field. This is why an electron with ms=12 has a slightly lower energy in an external field in the positive z direction, and an electron with ms=−12 has a slightly higher energy in the same field. This is true even for an electron occupying the same orbital in an atom. A spectral line corresponding to a transition for electrons from the same orbital but with different spin quantum numbers has two possible values of energy; thus, the line in the spectrum will show a fine structure splitting. The Pauli Exclusion Principle An electron in an atom is completely described by four quantum numbers: n, l, ml, and ms. The first three quantum numbers define the orbital and the fourth quantum number describes the intrinsic electron property called spin. An Austrian physicist Wolfgang Pauli formulated a general principle that gives the last piece of information that we need to understand the general behavior of electrons in atoms. The Pauli exclusion principle can be formulated as follows: No two electrons in the same atom can have exactly the same set of all the four quantum numbers. What this means is that electrons can share the same orbital (the same set of the quantum numbers n, l, and ml), but only if their spin quantum numbers ms have different values. Since the spin quantum number can only have two values (±12), no more than two electrons can occupy the same orbital (and if two electrons are located in the same orbital, they must have opposite spins). Therefore, any atomic orbital can be populated by only zero, one, or two electrons. 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