原子は、軽い電子に囲まれた重い原子核で構成されています。 電子の振る舞いは、量子力学の規則によって支配されています。 これらの規則により、電子は軌道と呼ばれる特定の領域を占めることができます。 原子の相互作用はほとんど排他的にそれらの最も外側の電子を介して行われるため、それらの軌道の形状は非常に重要になります。 たとえば、原子が互いに隣接している場合、それらの最も外側の軌道が重なると、強い化学結合を形成する可能性があります。 したがって、原子相互作用を理解するには、軌道の形状に関する知識が重要です。
量子数と軌道
物理学者は、原子内の電子の特性を説明するために速記を使用すると便利であることに気づきました。 省略形は量子数に関するものです。 これらの数値は整数のみであり、分数ではありません。 主量子数nは、電子のエネルギーに関連しています。 次に、軌道量子数lと角運動量量子数mがあります。 他にも量子数がありますが、それらは軌道の形に直接関係していません。 軌道は、原子核の周りの経路であるという意味で、軌道ではありません。 代わりに、それらは電子が見つかる可能性が最も高い位置を表します。
S軌道
nの値ごとに、lとmの両方がゼロに等しい軌道が1つあります。 それらの軌道は球です。 nの値が高いほど、球は大きくなります。つまり、電子が原子核から遠くに見つかる可能性が高くなります。 球は全体を通して等しく密ではありません。 それらはネストされたシェルのようなものです。 歴史的な理由から、これはs軌道と呼ばれます。 量子力学の規則により、n = 1の最低エネルギー電子は、lとmの両方がゼロに等しくなければならないため、n = 1に存在する唯一の軌道はs軌道です。 s軌道は、nの他のすべての値に対しても存在します。
P軌道
nが1より大きい場合、より多くの可能性が開かれます。 軌道量子数であるLは、n-1までの任意の値を持つことができます。 lが1に等しい場合、その軌道はp軌道と呼ばれます。 P軌道はダンベルのように見えます。 各lについて、mは1ステップで正から負のlになります。 したがって、n = 2、l = 1の場合、mは1、0、または-1に等しくなります。 つまり、p軌道には3つのバージョンがあります。1つはダンベルが上下にあり、もう1つはダンベルが左から右にあり、もう1つはダンベルが他の両方に対して直角になっています。 P軌道は、nが大きくなるにつれて追加の構造を持ちますが、1より大きいすべての主量子数に対して存在します。
D軌道
n = 3の場合、lは2に等しくなり、l = 2の場合、mは2、1、0、-1、および-2に等しくなります。 l = 2軌道はd軌道と呼ばれ、mの異なる値に対応する5つの異なる軌道があります。 n = 3、l = 2、m = 0の軌道もダンベルのように見えますが、中央にドーナツがあります。 他の4つのd軌道は、4つの卵が正方形のパターンで端に積み重ねられているように見えます。 異なるバージョンでは、卵が異なる方向を向いているだけです。
F軌道
n = 4、l = 3軌道はf軌道と呼ばれ、説明するのは困難です。 それらには複数の複雑な機能があります。 たとえば、n = 4、l = 3、m = 0; m = 1; m = -1軌道は再びダンベルのような形をしていますが、バーベルの両端の間に2つのドーナツがあります。 他のm値は、8つの風船の束のように見え、すべての結び目が中央で結ばれています。
視覚化
電子軌道を支配する数学はかなり複雑ですが、さまざまな軌道のグラフィカルな実現を提供する多くのオンラインリソースがあります。 これらのツールは、原子の周りの電子の振る舞いを視覚化するのに非常に役立ちます。