Négyféle pálya és alakja

Az atomok könnyű elektronok által körülvett nehéz magból állnak. Az elektronok viselkedését a kvantummechanika szabályai szabályozzák. Ezek a szabályok lehetővé teszik, hogy az elektronok elfoglalják a pályáknak nevezett meghatározott régiókat. Az atomok kölcsönhatásai szinte kizárólag a legkülső elektronjaikon keresztül zajlanak, ezért ezeknek a pályáknak az alakja nagyon fontossá válik. Például amikor az atomok egymás mellé kerülnek, ha a legkülső orbitális részeik átfedik egymást, akkor erős kémiai kötést hozhatnak létre; tehát a pályák alakjának bizonyos ismerete fontos az atomi kölcsönhatások megértéséhez.

A fizikusok kényelmesnek találták a gyorsírást az atom elektronjainak jellemzőinek leírására. A gyorsírás kvantumszámokat jelent; ezek a számok csak egész számok lehetnek, nem törtek. Az n kvantumszám az elektron energiájához kapcsolódik; akkor ott van az orbitális kvantumszám, l, és a szögimpulzus-kvantumszám, m. Vannak más kvantumszámok is, de ezek nem kapcsolódnak közvetlenül a pályák alakjához. A pályák nem keringenek, abban az értelemben, hogy a mag körüli utak; ehelyett azokat a pozíciókat képviselik, ahol az elektron a legvalószínűbb.

N értékére van egy olyan pálya, ahol l és m egyaránt nulla. Ezek a pályák gömbök. Minél nagyobb az n értéke, annál nagyobb a gömb - vagyis annál valószínűbb, hogy az elektron a magtól távolabb található. A gömbök nem egyformán sűrűek; inkább olyanok, mint a beágyazott kagylók. Történelmi okokból ezt s pályának nevezzük. A kvantummechanika szabályai miatt a legkisebb energiájú elektronoknak, n = 1 esetén mind l, mind m értéke nulla, tehát az egyetlen pálya, amely n = 1 esetén létezik, az s pálya. Az s pálya létezik n minden más értéke esetén is.

Ha n nagyobb, mint egy, több lehetőség nyílik meg. Az L, a pályakvantumszám bármilyen értéke lehet n-1-ig. Ha l egyenlő, akkor a pályát p pályának nevezzük. A P pályák olyanok, mint a súlyzók. Minden l esetén m pozitívból negatívba megy l lépésenként. Tehát n = 2, l = 1 esetén m értéke 1, 0 vagy -1 lehet. Ez azt jelenti, hogy a p pályának három változata létezik: az egyik a súlyzóval felfelé és lefelé, egy másik a súlyzóval balról jobbra, a másik pedig a súlyzó derékszögében mindkettőhöz. A P pályák az összes egynél nagyobb fő kvantumszámra léteznek, bár további szerkezetük van, mivel n magasabb lesz.

Ha n = 3, akkor l értéke 2, és ha l = 2, m értéke 2, 1, 0, -1 és -2 lehet. Az l = 2 pályát d pályának nevezzük, és öt különböző áll rendelkezésre, amelyek megfelelnek az m különböző értékeinek. Az n = 3, l = 2, m = 0 pálya szintén súlyzónak tűnik, de fánk körül a fán. A másik négy d pálya úgy néz ki, mintha négy tojás lenne egymásra rakva, négyzetes mintázatban. A különböző verziókban a tojások csak különböző irányokba mutatnak.

Az n = 4, l = 3 pályát f pályának nevezzük, és ezeket nehéz leírni. Több összetett tulajdonságuk van. Például n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; és m = -1 pályája ismét súlyzó alakú, de most két fánk van a súlyzó végei között. A többi m érték úgy néz ki, mint egy nyolc léggömbös köteg, középen minden csomójával összekötve.

Az elektronpályákat irányító matematika meglehetősen összetett, de sok olyan online erőforrás létezik, amely grafikus megvalósítást nyújt a különböző pályákról. Ezek az eszközök nagyon hasznosak az atomok körüli elektronok viselkedésének vizualizálásában.