Τέσσερις τύποι τροχιακών και οι μορφές τους

Τα άτομα αποτελούνται από έναν βαρύ πυρήνα που περιβάλλεται από ελαφριά ηλεκτρόνια. Η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων διέπεται από τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής. Οι κανόνες αυτοί επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να καταλαμβάνουν συγκεκριμένες περιοχές που ονομάζονται τροχιακά. Οι αλληλεπιδράσεις των ατόμων είναι σχεδόν αποκλειστικά μέσω των εξώτατων ηλεκτρονίων τους, οπότε το σχήμα αυτών των τροχιακών γίνεται πολύ σημαντικό. Για παράδειγμα, όταν τα άτομα έρχονται το ένα δίπλα στο άλλο, εάν οι εξόχως απόκεντρες τροχιές τους αλληλεπικαλύπτονται τότε μπορούν να δημιουργήσουν έναν ισχυρό χημικό δεσμό. οπότε κάποια γνώση του σχήματος των τροχιακών είναι σημαντική για την κατανόηση των ατομικών αλληλεπιδράσεων.

Οι φυσικοί βρήκαν βολικό να χρησιμοποιούν στενογραφία για να περιγράψουν τα χαρακτηριστικά των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο. Το στενό είναι από την άποψη των κβαντικών αριθμών. Αυτοί οι αριθμοί μπορούν να είναι μόνο ακέραιοι αριθμοί, όχι κλάσματα. Ο κύριος κβαντικός αριθμός, n, σχετίζεται με την ενέργεια του ηλεκτρονίου. τότε υπάρχει ο τροχιακός κβαντικός αριθμός, l και ο κβαντικός αριθμός γωνιακής ορμής, m. Υπάρχουν άλλοι κβαντικοί αριθμοί, αλλά δεν σχετίζονται άμεσα με το σχήμα των τροχιακών. Τα τροχιακά δεν είναι τροχιές, με την έννοια ότι είναι μονοπάτια γύρω από τον πυρήνα. Αντίθετα, αντιπροσωπεύουν τις θέσεις όπου είναι πιθανότερο να βρεθεί το ηλεκτρόνιο.

Για κάθε τιμή του n, υπάρχει ένα τροχιακό όπου τόσο το l όσο και το m είναι ίσο με μηδέν. Αυτά τα τροχιακά είναι σφαίρες. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή του n, όσο μεγαλύτερη είναι η σφαίρα - δηλαδή, τόσο πιο πιθανό είναι το ηλεκτρόνιο να βρίσκεται πιο μακριά από τον πυρήνα. Οι σφαίρες δεν είναι εξίσου πυκνές σε ολόκληρη. μοιάζουν περισσότερο με ένθετα κελύφη. Για ιστορικούς λόγους, αυτό ονομάζεται τροχιακό. Λόγω των κανόνων της κβαντικής μηχανικής, τα ηλεκτρόνια χαμηλότερης ενέργειας, με n = 1, πρέπει να έχουν και l και m ίσο με μηδέν, οπότε το μόνο τροχιακό που υπάρχει για το n = 1 είναι το s τροχιακό. Το s τροχιακό υπάρχει επίσης για κάθε άλλη τιμή του n.

Όταν το n είναι μεγαλύτερο από ένα, ανοίγονται περισσότερες δυνατότητες. Το L, ο τροχιακός κβαντικός αριθμός, μπορεί να έχει οποιαδήποτε τιμή έως n-1. Όταν ισούμαι με ένα, το τροχιακό ονομάζεται τροχιακό p. Τα τροχιακά P μοιάζουν με αλτήρες. Για κάθε l, το m πηγαίνει από θετικό σε αρνητικό l σε βήματα ενός. Έτσι, για n = 2, l = 1, το m μπορεί να ισούται με 1, 0 ή -1. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν τρεις εκδοχές του τροχιακού p: μία με τον αλτήρα πάνω-κάτω, άλλη με τον αλτήρα αριστερά προς τα δεξιά και άλλη με τον αλτήρα σε ορθή γωνία και των δύο άλλων. Τα τροχιακά P υπάρχουν για όλους τους κύριους κβαντικούς αριθμούς μεγαλύτερους από έναν, αν και έχουν πρόσθετη δομή καθώς το n αυξάνεται.

Όταν n = 3, τότε l μπορεί να ισούται με 2 και όταν l = 2, το m μπορεί να ισούται με 2, 1, 0, -1 και -2. Τα l = 2 τροχιακά ονομάζονται d τροχιακά, και υπάρχουν πέντε διαφορετικά που αντιστοιχούν στις διαφορετικές τιμές του m. Η τροχιά n = 3, l = 2, m = 0 μοιάζει επίσης με έναν αλτήρα, αλλά με ένα ντόνατ γύρω από τη μέση. Τα άλλα τέσσερα d τροχιακά μοιάζουν με τέσσερα αυγά στοιβάζονται στο τέλος σε τετράγωνο μοτίβο. Οι διαφορετικές εκδόσεις έχουν ακριβώς τα αυγά να δείχνουν προς διαφορετικές κατευθύνσεις.

Τα n = 4, l = 3 τροχιακά ονομάζονται f orbital και είναι δύσκολο να περιγραφούν. Έχουν πολλά σύνθετα χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, το n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; και m = -1 τα τροχιακά διαμορφώνονται ξανά σαν αλτήρες, αλλά τώρα με δύο ντόνατς μεταξύ των άκρων του barbell. Οι άλλες τιμές m μοιάζουν με μια δέσμη οκτώ μπαλονιών, με όλους τους κόμπους τους δεμένους στο κέντρο.

Τα μαθηματικά που διέπουν τα τροχιακά ηλεκτρονίων είναι αρκετά περίπλοκα, αλλά υπάρχουν πολλοί διαδικτυακοί πόροι που παρέχουν γραφικές πραγματοποιήσεις των διαφορετικών τροχιακών. Αυτά τα εργαλεία είναι πολύ χρήσιμα στην οπτικοποίηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων γύρω από τα άτομα.