Четири врсте орбитала и њихови облици

Атоми су састављени од тешког језгра окруженог лаким електронима. Понашање електрона уређено је правилима квантне механике. Та правила омогућавају електронима да заузимају одређене регије зване орбитале. Интеракције атома су готово искључиво преко њихових најудаљенијих електрона, па облик тих орбитала постаје веома важан. На пример, када се атоми ставе један поред другог, ако се њихове најудаљеније орбитале преклопе, тада могу створити јаку хемијску везу; па је неко знање о облику орбитала важно за разумевање атомских интеракција.

Физичари су сматрали погодним да користе стенографију за описивање карактеристика електрона у атому. Стенографија је у смислу квантних бројева; ови бројеви могу бити само цели бројеви, а не разломци. Главни квантни број, н, повезан је са енергијом електрона; онда постоји орбитални квантни број, л, и квантни број угаоног момента, м. Постоје и други квантни бројеви, али они нису директно повезани са обликом орбитала. Орбитале нису орбите, у смислу да су путање око језгра; уместо тога, они представљају положаје где је највероватније да ће се електрон наћи.

За сваку вредност н постоји једна орбитала где су и л и м једнаки нули. Те орбитале су сфере. Што је већа вредност н, већа је сфера - односно већа је вероватноћа да ће се електрон наћи даље од језгра. Кроз све сфере нису подједнако густе; више су попут угнежђених шкољки. Из историјских разлога ово се назива с орбитала. Због правила квантне механике, електрони са најнижом енергијом, са н = 1, морају имати и л и м једнаке нули, па је једина орбитала која постоји за н = 1 с-орбитала. Орбитала с постоји и за сваку другу вредност н.

Када је н веће од једног, отвара се више могућности. Л, орбитални квантни број, може имати било коју вредност до н-1. Када је л једнако јединици, орбитала се назива п орбитала. П орбитале изгледају некако као бучице. За свако л, м иде од позитивног ка негативном л у корацима од један. Дакле, за н = 2, л = 1, м може бити једнако 1, 0 или -1. То значи да постоје три верзије п орбитале: једна са бучицом нагоре и надоле, друга са бучицом лево-десно и друга са бучицом под правим углом у односу на остале. П орбитале постоје за све главне квантне бројеве веће од један, мада имају додатну структуру како н постаје већи.

Када је н = 3, тада л може бити једнако 2, а када је л = 2, м може бити једнако 2, 1, 0, -1 и -2. Л = 2 орбитале називају се д орбитале и постоји пет различитих које одговарају различитим вредностима м. Орбитала н = 3, л = 2, м = 0 такође изгледа као бучица, али са крофном око средине. Преостале четири д орбитале изгледају попут четири јаја сложена на крајеве у квадратном облику. Различите верзије имају само јаја која показују у различитим правцима.

Н = 4, л = 3 орбитале називају се ф орбиталама и тешко их је описати. Имају вишеструко сложене особине. На пример, н = 4, л = 3, м = 0; м = 1; и м = -1 орбитале су поново обликоване као бучице, али сада са две крофне између крајева мрене. Остале вредности м изгледају некако као сноп од осам балона, са свим чворовима повезаним у средини.

Математика која управља електронским орбиталама је прилично сложена, али постоји много мрежних извора који пружају графичку реализацију различитих орбитала. Ти алати су веома корисни у визуелизацији понашања електрона око атома.