Atomai susideda iš sunkaus branduolio, apsupto lengvųjų elektronų. Elektronų elgesį reguliuoja kvantinės mechanikos taisyklės. Šios taisyklės leidžia elektronams užimti tam tikrus regionus, vadinamus orbitomis. Atomų sąveika beveik išimtinai vyksta per jų atokiausius elektronus, todėl tų orbitalių forma tampa labai svarbi. Pavyzdžiui, atomai atnešdami vienas šalia kito, jei jų tolimiausios orbitalės sutampa, jie gali sukurti stiprų cheminį ryšį; taigi tam tikros žinios apie orbitų formą yra svarbios suprantant atomų sąveiką.
Kvantiniai skaičiai ir orbitos
Fizikams pasirodė, kad patogu naudoti trumpinį, norint apibūdinti atomo elektronų charakteristikas. Stenografija yra kvantiniai skaičiai; šie skaičiai gali būti tik sveiki skaičiai, o ne trupmenos. Pagrindinis kvantinis skaičius n yra susijęs su elektrono energija; tada yra orbitos kvantinis skaičius l ir kampinio momento kvantinis skaičius m. Yra ir kitų kvantinių skaičių, tačiau jie nėra tiesiogiai susiję su orbitalių forma. Orbitalos nėra orbitos ta prasme, kad yra keliai aplink branduolį; vietoj to jie atstovauja pozicijoms, kuriose greičiausiai yra elektronas.
S Orbitalos
Kiekvienai n reikšmei yra viena orbita, kur ir l, ir m yra lygūs nuliui. Tos orbitos yra sferos. Kuo didesnė n reikšmė, tuo didesnė sfera - tai yra, tuo didesnė tikimybė, kad elektronas bus randamas toliau nuo branduolio. Sferos nėra vienodai tankios; jie labiau panašūs į įdėtus kriaukles. Dėl istorinių priežasčių tai vadinama s orbita. Dėl kvantinės mechanikos taisyklių mažiausios energijos elektronai, kurių n = 1, turi turėti ir l, ir m, lygūs nuliui, taigi vienintelė orbita, egzistuojanti n = 1, yra s orbita. S orbita egzistuoja ir kiekvienai kitai n vertei.
P Orbitalai
Kai n yra didesnis nei vienas, atsiveria daugiau galimybių. L, orbitos kvantinis skaičius, gali turėti bet kokią reikšmę iki n-1. Kai l yra lygus vienam, orbita vadinama p orbita. P orbitos atrodo tarsi hanteliai. Kiekvienam l, m eina nuo teigiamo iki neigiamo l žingsniais po vieną. Taigi, n = 2, l = 1, m gali būti lygus 1, 0 arba -1. Tai reiškia, kad yra trys orbitos variantai: vienas su hanteliu aukštyn ir žemyn, kitas - su hanteliu iš kairės į dešinę, o kitas - su hanteliu stačiu kampu abiejų kitų atžvilgiu. P orbitalės egzistuoja visiems pagrindiniams kvantiniams skaičiams, didesniems nei vienas, nors jie turi papildomą struktūrą, nes n tampa aukštesnė.
D Orbitalos
Kai n = 3, tada l gali būti lygus 2, o kai l = 2, m gali būti lygus 2, 1, 0, -1 ir -2. L = 2 orbitalės vadinamos d orbitalėmis, ir yra penkios skirtingos, atitinkančios skirtingas m reikšmes. N = 3, l = 2, m = 0 orbita taip pat atrodo kaip hantelis, bet su spurgele aplink vidurį. Kitos keturios d orbitalės atrodo kaip keturi kiaušiniai, sukrauti ant galo kvadrato formos. Skirtingose versijose kiaušiniai tiesiog nukreipti į skirtingas puses.
F Orbitalos
N = 4, l = 3 orbitos vadinamos f orbitalėmis, ir jas sunku apibūdinti. Jie turi keletą kompleksinių bruožų. Pavyzdžiui, n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; ir m = -1 orbitalės vėl yra panašios į hantelius, bet dabar su dviem spurgomis tarp štangos galų. Kitos m vertės atrodo tarsi aštuonių balionų ryšulys, kurio visi mazgai susirišti centre.
Vizualizacijos
Matematika, reguliuojanti elektronų orbitales, yra gana sudėtinga, tačiau yra daugybė internetinių šaltinių, kuriuose pateikiamos grafinės skirtingų orbitalių realizacijos. Šios priemonės yra labai naudingos vizualizuojant elektronų elgesį aplink atomus.