Fyra typer av orbitaler och deras former

Atomer består av en tung kärna omgiven av lätta elektroner. Elektronernas beteende styrs av kvantmekanikens regler. Dessa regler tillåter elektroner att ockupera specifika regioner som kallas orbitaler. Samverkan mellan atomer sker nästan uteslutande genom deras yttersta elektroner, så formen på dessa orbitaler blir mycket viktig. Till exempel, när atomer bringas bredvid varandra, om deras yttersta orbitaler överlappar varandra, kan de skapa en stark kemisk bindning; så viss kunskap om orbitalernas form är viktig för att förstå atominteraktioner.

Fysiker har funnit det lämpligt att använda stenografi för att beskriva egenskaperna hos elektroner i en atom. Kortformen är i termer av kvantnummer; dessa siffror kan bara vara heltal, inte bråk. Huvudkvantantalet, n, är relaterat till elektronens energi; sedan finns det orbitalkvantantalet, l och det vinkelmomentkvantantalet, m. Det finns andra kvantnummer, men de är inte direkt relaterade till orbitalernas form. Orbitaler är inte banor, i betydelsen att de är vägar runt kärnan; istället representerar de positionerna där elektronen är mest sannolikt att hittas.

För varje värde på n finns en orbital där både l och m är lika med noll. Dessa orbitaler är sfärer. Ju högre värde på n, desto större sfär - det vill säga desto mer troligt är det att elektronen kommer att hittas längre bort från kärnan. Sfärerna är inte lika täta hela tiden; de är mer som kapslade skal. Av historiska skäl kallas detta en s orbital. På grund av kvantmekanikens regler måste de lägsta energielektronerna, med n = 1, ha både l och m lika med noll, så den enda banan som finns för n = 1 är s-orbitalen. Orbitalen finns också för alla andra värden på n.

När n är större än en öppnas fler möjligheter. L, det orbitala kvantantalet, kan ha vilket värde som helst upp till n-1. När jag är lika med en kallas orbitalen en p-orbital. P-orbitaler ser ungefär ut som hantlar. För varje l går m från positivt till negativt l i steg om ett. Så för n = 2 kan l = 1, m vara lika med 1, 0 eller -1. Det betyder att det finns tre versioner av p-banan: en med hanteln upp och ner, en annan med hanteln från vänster till höger och en annan med hanteln i rät vinkel mot båda de andra. P-orbitaler finns för alla huvudkvantantal som är större än en, även om de har ytterligare struktur när n blir högre.

När n = 3, då kan l vara lika med 2, och när l = 2, kan m vara lika med 2, 1, 0, -1 och -2. Orbitalerna l = 2 kallas d-orbitaler, och det finns fem olika som motsvarar de olika värdena på m. Orbitalet n = 3, l = 2, m = 0 ser också ut som en hantel, men med en munk runt mitten. De andra fyra d orbitalerna ser ut som fyra ägg staplade i slutet i ett fyrkantigt mönster. De olika versionerna har bara äggen som pekar i olika riktningar.

Orbitalerna n = 4, l = 3 kallas f orbitaler och de är svåra att beskriva. De har flera komplexa funktioner. Till exempel är n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; och m = -1 orbitaler är formade som hantlar igen, men nu med två munkar mellan ändarna på skivstången. De andra m-värdena ser ut som en bunt med åtta ballonger, med alla sina knutar bundna i mitten.

Matematiken som styr elektronorbitalerna är ganska komplex, men det finns många online-resurser som ger grafiska förverkliganden av de olika orbitalerna. Dessa verktyg är mycket hjälpsamma för att visualisera beteendet hos elektroner runt atomer.