Wie sind Elektronen in einer Atomhülle verteilt?

Elektronen sind winzige subatomare Teilchen mit negativer Ladung, die in Schalen um den Atomkern kreisen. Jede Schale kann als Energieniveau betrachtet werden, und jedes Energieniveau muss mit Elektronen gefüllt sein, bevor sich ein Elektron in eine Hülle mit höherer Energie bewegt. Die Menge der in jeder Schale gehaltenen Elektronen variiert, und Umlaufbahnen und Anordnung der Elektronen sind nicht wie die gemeinhin gesehenen perfekt kreisförmigen Modelle.

Jede Elektronenhülle enthält eine andere Menge an Elektronen, um die Hülle vollständig zu füllen. Die erste Elektronenschale kann zwei Elektronen aufnehmen. Die Elemente Wasserstoff mit einem Elektron und Helium mit zwei Elektronen sind die einzigen Elemente, die nur eine Elektronenhülle haben. Die zweite Schale kann acht Elektronen aufnehmen. Die dritte Schale enthält 18 Elektronen, die vierte 32.

Die Elektronenschalen werden weiter in Unterschalen unterteilt. Diese Unterschalen werden als Energieniveaus innerhalb der Energieniveaus der Elektronenhülle betrachtet. Diese Unterschalen werden durch die Buchstaben s, p, d, f dargestellt. Sie halten eine bestimmte Anzahl von Elektronen. Zum Beispiel enthält die s-Unterschale zwei Elektronen und die p-Unterschale sechs. Jede Unterschale kann vier Elektronen mehr aufnehmen als die vorherige Unterschale.

An jeder der Elektronenschalen sind Unterschalen vorhanden. Das Element Bor hat beispielsweise fünf Elektronen. Die ersten beiden Elektronen passen in die erste Schale auf die erste und einzige Unterschale. Die zweite Elektronenschale hat drei Elektronen. Die ersten beiden befinden sich auf der s-Unterschale, mit einem Elektron auf der p-Unterschale. Eine übliche Unterschalennotation für Bor ist 1s2 2s2 2p1. Diese Notation gibt an, welche Elektronenschale zuerst durch eine Zahl, die Unterschale durch den Buchstaben und wie viele Elektronen auf der Unterschale mit einer Zahl vorhanden sind.

Obwohl Elektronenmodelle häufig kreisförmige Formen verwenden, um Elektronen und Elektronenschalen darzustellen, ist die Form einer Umlaufbahn tatsächlich sehr unterschiedlich. Die Unterschale ist kugelförmig. Jedes p-Orbital hat die Form einer Hantel. Die Hantelform des p-Orbitals kann nur zwei Elektronen aufnehmen. Da ein p-Orbital insgesamt sechs Elektronen aufnehmen kann, müssen drei Hantelformen in der Mitte ineinandergreifen, damit ein p-Orbital voll ist.

Die in den Elektronenschalen und Unterschalen vorhandenen Elektronen umschlingen die Schalen nicht in einer vordefinierten Umlaufbahn. Die Elektronen bewegen sich in einer Wolke. Zum Beispiel hat die Unterebene s zwei Elektronen maximal in einer Kugelform. Die beiden Elektronen rotieren nicht um den Rand der Kugel; sie können jederzeit überall innerhalb der Kugelform vorhanden sein. Tatsächlich können die Elektronen laut Quantenphysik die Kugel verlassen. Die Kugelform der s-Unterschale ist nur der wahrscheinlichste Ort, um die Elektronen zu einem bestimmten Zeitpunkt zu lokalisieren. Dadurch entsteht eine Wahrscheinlichkeitswolke, auf der sich das Elektron jederzeit befinden kann. Dies gilt für alle Elektronenschalen und Unterschalen.