Atomi sastāv no smagā kodola, ko ieskauj gaismas elektroni. Elektronu uzvedību regulē kvantu mehānikas likumi. Šie noteikumi ļauj elektroniem aizņemt noteiktus reģionus, kurus sauc par orbitālēm. Atomu mijiedarbība gandrīz notiek tikai caur to attālākajiem elektroniem, tāpēc šo orbitāļu forma kļūst ļoti svarīga. Piemēram, kad atomi tiek nogādāti viens otram blakus, ja to ārējās orbitāles pārklājas, tie var radīt spēcīgu ķīmisko saiti; tāpēc dažas zināšanas par orbitāļu formu ir svarīgas, lai izprastu atomu mijiedarbību.
Kvantu skaitļi un orbitāles
Fiziķiem ir izdevies izmantot stenogrammu, lai aprakstītu atoma elektronu īpašības. Stenogrāfija ir kvantu skaitļu izteiksmē; šie skaitļi var būt tikai veseli skaitļi, nevis frakcijas. Galvenais kvantu skaitlis n ir saistīts ar elektrona enerģiju; tad ir orbitālais kvantu skaitlis l un leņķiskā impulsa kvantu skaitlis m. Ir arī citi kvantu skaitļi, taču tie nav tieši saistīti ar orbitāļu formu. Orbītas nav orbītas tādā nozīmē, ka tās ir ceļi ap kodolu; tā vietā tie attēlo pozīcijas, kurās visticamāk atrodams elektrons.
S Orbītas
Katrai n vērtībai ir viena orbīta, kur gan l, gan m ir vienādas ar nulli. Šīs orbitāles ir sfēras. Jo lielāka ir n vērtība, jo lielāka ir sfēra - tas ir, jo lielāka iespējamība, ka elektrons tiks atrasts tālāk no kodola. Sfēras nav vienādi blīvas visā; tie ir vairāk kā ligzdoti čaumalas. Vēsturisku iemeslu dēļ to sauc par orbitālu. Kvantu mehānikas likumu dēļ zemākās enerģijas elektroniem ar n = 1 jābūt gan l, gan m vienādam ar nulli, tāpēc vienīgā orbitāle, kas pastāv n = 1, ir s orbitāle. S orbitāle pastāv arī attiecībā uz katru citu n vērtību.
P Orbītas
Kad n ir lielāks par vienu, paveras vairāk iespēju. L, orbītas kvantu skaitam, var būt jebkura vērtība līdz n-1. Kad l ir vienāds ar orbitālu, orbitālu sauc par p orbitāli. P orbitāles izskatās kā hanteles. Katram l, m pāriet no pozitīvā uz negatīvo l, veicot vienu soli. Tātad, ja n = 2, l = 1, m var būt vienāds ar 1, 0 vai -1. Tas nozīmē, ka p orbitālei ir trīs versijas: viena ar hanteli uz augšu un uz leju, otra ar hanteli no kreisās uz labo pusi un vēl viena ar hanteli taisnā leņķī pret abiem pārējiem. P orbitāles pastāv visiem galvenajiem kvantu skaitļiem, kas ir lielāki par vienu, lai gan tiem ir papildu struktūra, kad n kļūst lielāks.
D Orbītas
Kad n = 3, tad l var būt vienāds ar 2 un, ja l = 2, m var būt vienāds ar 2, 1, 0, -1 un -2. L = 2 orbitāles sauc par d orbitālēm, un ir piecas dažādas, kas atbilst dažādām m vērtībām. Arī orbitāle n = 3, l = 2, m = 0 izskatās kā hantele, bet ar virtuli ap vidu. Pārējās četras d orbitāles izskatās kā četras olas, kas sakrautas galā četrstūra formā. Dažādās versijās olšūnas vienkārši norāda dažādos virzienos.
F Orbītas
N = 4, l = 3 orbitāles sauc par f orbitālēm, un tās ir grūti aprakstīt. Viņiem ir vairākas sarežģītas funkcijas. Piemēram, n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; un m = -1 orbitāles atkal ir veidotas kā hanteles, bet tagad ar diviem virtuļiem starp stieņa galiem. Pārējās m vērtības izskatās kā astoņu balonu saišķis, kura visi mezgli ir sasieti kopā centrā.
Vizualizācijas
Matemātika, kas regulē elektronu orbitāles, ir diezgan sarežģīta, taču ir daudz tiešsaistes resursu, kas nodrošina dažādu orbitāļu grafisko realizāciju. Šie rīki ir ļoti noderīgi, lai vizualizētu elektronu uzvedību ap atomiem.