Четири типа орбитали и техните форми

Атомите са съставени от тежко ядро, заобиколено от леки електрони. Поведението на електроните се управлява от правилата на квантовата механика. Тези правила позволяват на електроните да заемат определени региони, наречени орбитали. Взаимодействията на атомите са почти изключително чрез техните най-външни електрони, така че формата на тези орбитали става много важна. Например, когато атомите са доближени един до друг, ако техните най-външни орбитали се припокриват, тогава те могат да създадат силна химическа връзка; така че някои познания за формата на орбиталите са важни за разбирането на атомните взаимодействия.

Физиците са намерили за удобно да използват стенографията, за да опишат характеристиките на електроните в атома. Стенографията е по отношение на квантовите числа; тези числа могат да бъдат само цели числа, а не дробни. Основното квантово число n е свързано с енергията на електрона; тогава има орбитално квантово число, l, и квантово число на ъгловия момент, m. Има и други квантови числа, но те не са пряко свързани с формата на орбиталите. Орбиталите не са орбити в смисъл, че са пътеки около ядрото; вместо това те представляват позициите, където е най-вероятно да се намери електронът.

За всяка стойност на n има една орбитала, където и l, и m са равни на нула. Тези орбитали са сфери. Колкото по-висока е стойността на n, толкова по-голяма е сферата - тоест, толкова по-вероятно е електронът да бъде открит по-далеч от ядрото. Сферите не са еднакво плътни навсякъде; те са по-скоро като вложени черупки. По исторически причини това се нарича s орбитала. Поради правилата на квантовата механика, електроните с най-ниска енергия, с n = 1, трябва да имат както l, така и m, равни на нула, така че единствената орбитала, която съществува за n = 1, е s орбиталата. S орбиталата съществува и за всяка друга стойност на n.

Когато n е по-голямо от едно, се отварят повече възможности. L, орбиталното квантово число, може да има всякаква стойност до n-1. Когато l е равно на едно, орбиталата се нарича p орбитала. P орбиталите изглеждат нещо като гири. За всяко l m преминава от положително към отрицателно l на стъпки от едно. Така че, при n = 2, l = 1, m може да е равно на 1, 0 или -1. Това означава, че има три версии на р орбиталата: една с гира нагоре и надолу, друга с гира отляво надясно и друга с гира под прав ъгъл спрямо останалите. P орбитали съществуват за всички главни квантови числа, по-големи от едно, въпреки че те имат допълнителна структура, когато n става по-висока.

Когато n = 3, тогава l може да е равно на 2, а когато l = 2, m може да е равно на 2, 1, 0, -1 и -2. L = 2 орбитали се наричат ​​d орбитали и има пет различни, съответстващи на различните стойности на m. Орбиталата n = 3, l = 2, m = 0 също прилича на гира, но с поничка около средата. Останалите четири d орбитали изглеждат като четири яйца, подредени в края в квадрат. Различните версии просто имат яйцата, насочени в различни посоки.

N = 4, l = 3 орбитали се наричат ​​f ​​орбитали и са трудни за описване. Те имат множество сложни функции. Например n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; и m = -1 орбитали отново са оформени като гири, но вече с две понички между краищата на щангата. Останалите m стойности изглеждат като сноп от осем балона, като всичките им възли са свързани в центъра.

Математиката, управляваща електронните орбитали, е доста сложна, но има много онлайн ресурси, които предоставят графични реализации на различните орбитали. Тези инструменти са много полезни при визуализиране на поведението на електроните около атомите.