ארבעה סוגים של אורביטלים וצורותיהם

אטומים מורכבים מגרעין כבד המוקף באלקטרונים קלים. התנהגות האלקטרונים נשלטת על ידי כללי מכניקת הקוונטים. כללים אלה מאפשרים לאלקטרונים לכבוש אזורים ספציפיים הנקראים אורביטלים. יחסי הגומלין של האטומים הם כמעט אך ורק דרך האלקטרונים החיצוניים ביותר שלהם, ולכן צורתם של אורביטלים אלה הופכת לחשובה מאוד. לדוגמא, כאשר האטומים מובאים זה ליד זה, אם המסלולים החיצוניים ביותר שלהם חופפים אז הם יכולים ליצור קשר כימי חזק; אז ידע מסוים על צורת האורביטלים חשוב להבנת האינטראקציות האטומיות.

פיזיקאים מצאו שזה נוח להשתמש בקיצור כדי לתאר את מאפייני האלקטרונים באטום. הקצר הוא במונחים של מספרים קוונטיים; מספרים אלה יכולים להיות רק מספרים שלמים, ולא שברים. המספר הקוונטי העיקרי, n, קשור לאנרגיה של האלקטרון; ואז יש את המספר הקוונטי מסלולי, l, ואת המספר הקוונטי הזוויתי, m. ישנם מספרים קוונטיים אחרים, אך הם אינם קשורים ישירות לצורת האורביטלים. מסלולים אינם מסלולים, במובן היותם מסלולים סביב הגרעין; במקום זאת, הם מייצגים את העמדות בהן סביר להניח כי האלקטרון יימצא.

לכל ערך של n, יש מסלול אחד שבו l ו- m שווים לאפס. מסלולים אלה הם תחומים. ככל שערכו של n גבוה יותר, כך הכדור גדול יותר - כלומר, סביר יותר שהאלקטרון יימצא רחוק יותר מהגרעין. הספירות אינן צפופות באותה מידה לאורך כל הדרך; הם דומים יותר לקונכיות מקוננות. מסיבות היסטוריות זה נקרא מסלול. בגלל הכללים של מכניקת הקוונטים, אלקטרוני האנרגיה הנמוכים ביותר, עם n = 1, חייבים להיות שניהם l ו- m שווים לאפס, ולכן המסלול היחיד שקיים עבור n = 1 הוא מסלול s. מסלול s קיים גם עבור כל ערך אחר של n.

כאשר n גדול מאחד, יותר אפשרויות נפתחות. ל- L, המספר הקוונטי במסלול, יכול להיות כל ערך עד n-1. כאשר אני שווה לאחד, המסלול נקרא מסלול. מסלולי P נראים כמו משקולות. עבור כל l, m עובר מ- חיובי ל- l בשלבים של אחד. לכן, עבור n = 2, l = 1, m יכול להיות שווה ל -1, 0 או -1. פירוש הדבר שיש שלוש גרסאות של מסלול ה- p: אחת עם המשקולת למעלה ולמטה, אחרת עם המשקולת משמאל לימין, ואחת אחרת עם המשקולת בזווית ישרה לשני האחרים. מסלולי P קיימים עבור כל המספרים הקוונטיים העיקריים הגדולים מאחד, אם כי יש להם מבנה נוסף ככל ש- n עולה.

כאשר n = 3, אז l יכול להיות שווה ל- 2, וכאשר l = 2, m יכול להיות שווה ל- 2, 1, 0, -1 ו- -2. האורביטלים l = 2 נקראים אורביטלים d, וישנם חמישה שונים המתאימים לערכים השונים של m. מסלול ה- n = 3, l = 2, m = 0 נראה גם כמו משקולת, אך עם סופגנייה סביב האמצע. ארבע האורביטליות האחרות נראות כמו ארבע ביצים הנערמות בקצה בדפוס מרובע. בגרסאות השונות פשוט הביציות מכוונות לכיוונים שונים.

המסלולים n = 4, l = 3 נקראים אורביטלים f, וקשה לתאר אותם. יש להם תכונות מורכבות מרובות. לדוגמא, ה- n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; ו- m = -1 אורביטלים מעוצבים שוב כמו משקולות, אך כעת עם שתי סופגניות בין קצות המוט. ערכי ה- m האחרים נראים כמו צרור של שמונה בלונים, כאשר כל קשריהם קשורים זה לזה במרכז.

המתמטיקה השולטת על מסלולי האלקטרונים מורכבת למדי, אך ישנם משאבים מקוונים רבים המספקים מימוש גרפי של האורביטלים השונים. כלים אלה מועילים מאוד בהדמיית התנהגותם של אלקטרונים סביב אטומים.