Neli tüüpi orbitaale ja nende kuju

Aatomid koosnevad raskest tuumast, mida ümbritsevad kerged elektronid. Elektronide käitumist reguleerivad kvantmehaanika reeglid. Need reeglid lubavad elektronidel hõivata konkreetseid piirkondi, mida nimetatakse orbitaalideks. Aatomite vastasmõju toimub peaaegu eranditult nende väliste elektronide kaudu, mistõttu nende orbitaalide kuju muutub väga oluliseks. Näiteks kui aatomid viiakse üksteise kõrvale, siis kui nende äärmised orbitaalid kattuvad, võivad nad luua tugeva keemilise sideme; nii et mõned teadmised orbitaalide kujust on olulised aatomi vastastikmõjude mõistmiseks.

Füüsikud on leidnud, et aatomi elektronide omaduste kirjeldamiseks on mugav kasutada stenogrammi. Kiirkiri on kvantarvude osas; need arvud võivad olla ainult täisarvud, mitte murdarvud. Peamine kvantarv n on seotud elektroni energiaga; siis on orbiidi kvantarv, l ja nurkimpulsi kvantarv m Kvantarvu on teisigi, kuid need pole otseselt seotud orbitaalide kujust. Orbitaalid ei ole orbiidid selles mõttes, et need on teed tuuma ümber; selle asemel esindavad nad positsioone, kus elektron kõige tõenäolisemalt leitakse.

Iga n väärtuse jaoks on üks orbitaal, kus nii l kui m on võrdsed nulliga. Need orbitaalid on kerad. Mida suurem on n väärtus, seda suurem on kera - see tähendab, seda tõenäolisem on, et elektron leitakse tuumast kaugemal. Sfäärid ei ole läbivalt võrdselt tihedad; nad on pigem nagu pesastatud kestad. Ajaloolistel põhjustel nimetatakse seda orbiidiks. Kvantmehaanika reeglite tõttu peavad madalaima energiaga elektronidel, n = 1, olema nii l kui m võrdsed nulliga, seega on n = 1 jaoks ainus orbitaal s orbitaal. Orbitaal eksisteerib ka kõigi teiste n väärtuste korral.

Kui n on suurem kui üks, avaneb rohkem võimalusi. L, orbiidi kvantarvul võib olla mis tahes väärtus kuni n-1. Kui l on võrdne ühega, nimetatakse orbitaali p orbitaaliks. P orbitaalid näevad välja nagu hantlid. Iga l korral liigub m positiivsest negatiivseks l ühe sammuna. Niisiis, n = 2, l = 1 korral võib m olla võrdne 1, 0 või -1. See tähendab, et p orbiidil on kolm versiooni: üks hantliga üles ja alla, teine ​​hantliga vasakult paremale ja teine ​​hantliga mõlema teise suhtes täisnurga all. P orbitaalid eksisteerivad kõigi peamiste kvantarvude puhul, mis on suuremad kui üks, kuigi neil on täiendav struktuur, kui n suureneb.

Kui n = 3, siis võib l olla võrdne 2 ja kui l = 2, võib m olla võrdne 2, 1, 0, -1 ja -2. L = 2 orbitaali nimetatakse d orbitaaliks ja seal on viis erinevat, mis vastavad m erinevatele väärtustele. Ka orbiit n = 3, l = 2, m = 0 näeb välja nagu hantel, kuid keskelt on sõõrik. Ülejäänud neli d orbitaali näevad välja nagu neli ruudukujulise mustrina laotud muna. Erinevatel versioonidel on munad lihtsalt eri suundades.

N = 4, l = 3 orbitaali nimetatakse f orbitaaliks ja neid on raske kirjeldada. Neil on mitu keerukat funktsiooni. Näiteks n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; ja m = -1 orbitaali kuju on jälle nagu hantlid, kuid nüüd on kahe sõõriga varda otste vahel. Ülejäänud m väärtused näevad välja nagu kaheksast õhupallist koosnev kimp, mille kõik sõlmed on keskel kokku seotud.

Elektroonide orbitaale reguleeriv matemaatika on üsna keeruline, kuid on palju veebiallikaid, mis pakuvad erinevate orbitaalide graafilist realiseerimist. Need tööriistad on väga kasulikud elektronide käitumise visualiseerimisel aatomite ümber.