ออร์บิทัลสี่ประเภทและรูปร่างของมัน

อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสหนักล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนแสง พฤติกรรมของอิเล็กตรอนอยู่ภายใต้กฎของกลศาสตร์ควอนตัม กฎเหล่านี้อนุญาตให้อิเล็กตรอนครอบครองบริเวณที่เรียกว่าออร์บิทัล ปฏิสัมพันธ์ของอะตอมเกือบจะผ่านอิเลคตรอนชั้นนอกสุดเท่านั้น ดังนั้นรูปร่างของออร์บิทัลเหล่านั้นจึงมีความสำคัญมาก ตัวอย่างเช่น เมื่ออะตอมถูกนำเข้าหากัน ถ้าวงโคจรนอกสุดของพวกมันทับซ้อนกัน พวกมันก็สามารถสร้างพันธะเคมีที่แข็งแกร่งได้ ดังนั้นความรู้บางอย่างเกี่ยวกับรูปร่างของออร์บิทัลจึงมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ของอะตอม

นักฟิสิกส์พบว่าสะดวกที่จะใช้ชวเลขเพื่ออธิบายลักษณะของอิเล็กตรอนในอะตอม ชวเลขอยู่ในแง่ของจำนวนควอนตัม ตัวเลขเหล่านี้ต้องเป็นจำนวนเต็มเท่านั้น ไม่ใช่เศษส่วน หมายเลขควอนตัมหลัก n เกี่ยวข้องกับพลังงานของอิเล็กตรอน จากนั้นก็มีเลขควอนตัมโคจร l และเลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม m มีตัวเลขควอนตัมอื่น ๆ แต่ไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับรูปร่างของออร์บิทัล ออร์บิทัลไม่ใช่วงโคจรในแง่ของการเป็นเส้นทางรอบนิวเคลียส แทนที่จะเป็นตำแหน่งที่มีแนวโน้มว่าจะพบอิเล็กตรอนมากที่สุด

สำหรับแต่ละค่าของ n จะมีหนึ่งออร์บิทัลโดยที่ทั้ง l และ m มีค่าเท่ากับศูนย์ ออร์บิทัลเหล่านั้นเป็นทรงกลม ยิ่งค่าของ n สูงเท่าไร ทรงกลมก็จะยิ่งมีขนาดใหญ่ขึ้นเท่านั้น กล่าวคือ มีโอกาสมากที่อิเล็กตรอนจะพบได้ไกลจากนิวเคลียส ทรงกลมไม่หนาแน่นเท่ากันตลอด พวกมันเหมือนเปลือกหอยที่ซ้อนกันมากกว่า ด้วยเหตุผลทางประวัติศาสตร์ สิ่งนี้เรียกว่า s orbital เนื่องจากกฎของกลศาสตร์ควอนตัม อิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำที่สุดที่มี n=1 จะต้องมีทั้ง l และ m เท่ากับศูนย์ ดังนั้นวงโคจรเดียวที่มีอยู่สำหรับ n=1 คือ s ออร์บิทัล ออร์บิทัลยังมีอยู่สำหรับค่าอื่นทุกค่าของ n

เมื่อ n มากกว่า 1 ความเป็นไปได้ก็เปิดกว้างขึ้น L ซึ่งเป็นเลขควอนตัมโคจรสามารถมีค่าใด ๆ ได้ถึง n-1 เมื่อ l เท่ากับ 1 ออร์บิทัลจะเรียกว่า p ออร์บิทัล P orbitals ดูเหมือนดัมเบลล์ สำหรับแต่ละ l m จะเปลี่ยนจากบวกเป็นลบ l ในขั้นตอนที่หนึ่ง ดังนั้น สำหรับ n=2, l=1, m สามารถเท่ากับ 1, 0, หรือ -1 นั่นหมายความว่า p orbital มีสามเวอร์ชัน: รุ่นหนึ่งมีดัมเบลขึ้นและลง อีกชุดหนึ่งมีดัมเบลล์จากซ้ายไปขวา และอีกชุดหนึ่งมีดัมเบลล์ทำมุมฉากกับอีกเครื่องหนึ่ง ออร์บิทัล P มีอยู่สำหรับเลขควอนตัมหลักทั้งหมดที่มากกว่าหนึ่ง แม้ว่าจะมีโครงสร้างเพิ่มเติมเมื่อ n สูงขึ้น

เมื่อ n=3 แล้ว l สามารถเท่ากับ 2 และเมื่อ l=2 m สามารถเท่ากับ 2, 1, 0, -1 และ -2 l=2 orbitals เรียกว่า d orbitals และมีห้าออร์บิทัลที่แตกต่างกันซึ่งสอดคล้องกับค่าที่ต่างกันของ m n=3, l=2, m=0 orbital ก็ดูเหมือนดัมเบลล์ แต่มีโดนัทอยู่ตรงกลาง ออร์บิทัลอีกสี่วงดูเหมือนไข่สี่ฟองวางซ้อนกันเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัส รุ่นต่างๆ มีเพียงไข่ที่ชี้ไปในทิศทางที่ต่างกัน

ออร์บิทัล n=4, l=3 เรียกว่า ออร์บิทัล ซึ่งอธิบายได้ยาก มีคุณสมบัติที่ซับซ้อนหลายอย่าง ตัวอย่างเช่น n=4, l=3, m=0; ม=1; และ m=-1 orbitals มีรูปร่างเหมือนดัมเบลล์อีกครั้ง แต่ตอนนี้มีโดนัทสองอันระหว่างปลายบาร์เบลล์ ค่า m อื่นๆ ดูเหมือนพวงของลูกโป่งแปดลูก โดยผูกปมทั้งหมดไว้ตรงกลาง

คณิตศาสตร์ที่ควบคุมออร์บิทัลของอิเล็กตรอนนั้นค่อนข้างซับซ้อน แต่มีแหล่งข้อมูลออนไลน์มากมายที่ให้การเข้าใจแบบกราฟิกของออร์บิทัลต่างๆ เครื่องมือเหล่านี้มีประโยชน์มากในการแสดงภาพพฤติกรรมของอิเล็กตรอนรอบ ๆ อะตอม