Čtyři typy orbitalů a jejich tvary

Atomy se skládají z těžkého jádra obklopeného světelnými elektrony. Chování elektronů se řídí pravidly kvantové mechaniky. Tato pravidla umožňují elektronům obsadit konkrétní oblasti zvané orbitály. Interakce atomů jsou téměř výlučně prostřednictvím jejich nejvzdálenějších elektronů, takže tvar těchto orbitalů se stává velmi důležitým. Například, když jsou atomy přivedeny vedle sebe, pokud se jejich nejvzdálenější orbitaly překrývají, mohou vytvořit silnou chemickou vazbu; pro pochopení atomových interakcí jsou tedy důležité určité znalosti tvaru orbitalů.

Fyzici zjistili, že je vhodné použít zkratku k popisu charakteristik elektronů v atomu. Zkratka je z hlediska kvantových čísel; tato čísla mohou být pouze celá čísla, nikoli zlomky. Hlavní kvantové číslo, n, souvisí s energií elektronu; pak je tu orbitální kvantové číslo l a kvantové číslo momentu hybnosti m. Existují i ​​další kvantová čísla, ale nesouvisí přímo s tvarem orbitalů. Orbitály nejsou oběžné dráhy ve smyslu toho, že jsou to cesty kolem jádra; místo toho představují polohy, kde je elektron pravděpodobně nalezen.

Pro každou hodnotu n existuje jedna oběžná dráha, kde l i m se rovnají nule. Tyto orbitaly jsou koule. Čím vyšší je hodnota n, tím větší je koule - to znamená, že je pravděpodobnější, že elektron bude nalezen dále od jádra. Koule nejsou v celém rozsahu stejně husté; jsou spíš jako vnořené mušle. Z historických důvodů se tomu říká orbitál. Kvůli pravidlům kvantové mechaniky musí elektrony s nejnižší energií, s n = 1, mít oba l a m rovné nule, takže jediný orbitál, který existuje pro n = 1, je s orbitál. Orbitál existuje také pro každou další hodnotu n.

Když je n větší než jedna, otevírá se více možností. L, orbitální kvantové číslo, může mít libovolnou hodnotu až n-1. Když l se rovná jedné, orbitál se nazývá p orbitál. P orbitaly vypadají trochu jako činky. Pro každé l jde m v kladných k záporným lv krocích po jedné. Takže pro n = 2, l = 1, m se může rovnat 1, 0 nebo -1. To znamená, že existují tři verze orbitálu: jedna s činkou nahoru a dolů, druhá s činkou zleva doprava a další s činkou v pravém úhlu k oběma ostatním. P orbitaly existují pro všechna hlavní kvantová čísla větší než jedna, i když mají další strukturu, jak se n zvyšuje.

Když n = 3, pak l se může rovnat 2, a když l = 2, m se může rovnat 2, 1, 0, -1 a -2. Orbitály l = 2 se nazývají orbitaly d a existuje pět různých, které odpovídají různým hodnotám m. N = 3, l = 2, m = 0 orbital také vypadá jako činka, ale s prstencem kolem středu. Další čtyři d orbitaly vypadají jako čtyři vejce naskládaná na konci ve čtvercovém vzoru. V různých verzích jsou vejce namířena různými směry.

Orbitály n = 4, l = 3 se nazývají orbitaly a je obtížné je popsat. Mají několik složitých funkcí. Například n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; a m = -1 orbitaly jsou opět ve tvaru činek, ale nyní se dvěma koblihy mezi konci činky. Ostatní hodnoty m vypadají jako svazek osmi balónků se všemi jejich uzly svázanými ve středu.

Matematika řídící elektronové orbitaly je docela složitá, ale existuje mnoho online zdrojů, které poskytují grafické realizace různých orbitalů. Tyto nástroje jsou velmi užitečné při vizualizaci chování elektronů kolem atomů.