Атоми складаються з важкого ядра, оточеного легкими електронами. Поведінка електронів регулюється правилами квантової механіки. Ці правила дозволяють електронам займати певні області, які називаються орбіталями. Взаємодії атомів відбуваються майже виключно через їхні найвіддаленіші електрони, тому форма цих орбіталей стає дуже важливою. Наприклад, коли атоми наближаються один до одного, якщо їхні найвіддаленіші орбіталі перекриваються, тоді вони можуть створити міцний хімічний зв’язок; тому деякі знання про форму орбіталей важливі для розуміння атомних взаємодій.
Квантові числа та орбітали
Фізикам було зручно використовувати стенограму для опису характеристик електронів в атомі. Стенографія полягає у вираженні квантових чисел; ці числа можуть бути лише цілими числами, а не дробами. Основне квантове число, n, пов'язане з енергією електрона; тоді є орбітальне квантове число l і квантове число кутового моменту m. Є й інші квантові числа, але вони не пов'язані безпосередньо з формою орбіталей. Орбіталі - це не орбіти, в сенсі того, що вони є шляхами навколо ядра; натомість вони представляють положення, де найімовірніше буде знаходити електрон.
S Орбітали
Для кожного значення n існує одна орбіталя, де l і m рівні нулю. Ці орбіталі - сфери. Чим вище значення n, тим більша сфера - тобто, тим більше ймовірність того, що електрон виявиться далі від ядра. Сфери не однаково щільні на всьому протязі; вони більше схожі на вкладені оболонки. З історичних причин це називається орбіталлю. Зважаючи на правила квантової механіки, електрони найнижчої енергії з n = 1 повинні мати як l, так і m рівними нулю, тому єдиною орбіталлю, яка існує для n = 1, є s-орбіталя. Орбіталь s існує також для кожного іншого значення n.
П орбіталі
Коли n більше одиниці, відкривається більше можливостей. L, орбітальне квантове число, може мати будь-яке значення до n-1. Коли l дорівнює одиниці, орбіталь називається р-орбіталлю. P-орбіталі схожі на гантелі. Для кожного l m переходить від позитивного до негативного l з кроком в один. Отже, при n = 2, l = 1, m може дорівнювати 1, 0 або -1. Це означає, що існує три версії орбіталі p: одна з гантелями вгору і вниз, інша з гантелью зліва направо, а інша - з гантелью під прямим кутом до обох інших. P-орбіталі існують для всіх основних квантових чисел, більших за одиницю, хоча вони мають додаткову структуру, коли n стає вище.
D Орбітали
Коли n = 3, тоді l може дорівнювати 2, а коли l = 2, m може дорівнювати 2, 1, 0, -1 і -2. L = 2 орбіталі називаються d орбіталями, і існує п'ять різних, що відповідають різним значенням m. Орбіта n = 3, l = 2, m = 0 також схожа на гантель, але з пончиком навколо середини. Інші чотири d орбіталі виглядають як чотири яйця, складені кінцем у квадратному візерунку. У різних версіях просто яйця спрямовані в різні боки.
F Орбітали
Орбіталі n = 4, l = 3 називаються f-орбіталями, і їх важко описати. Вони мають кілька складних функцій. Наприклад, n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; і m = -1 орбіталі знову мають форму гантелей, але тепер з двома пампушками між кінцями штанги. Інші значення m виглядають як пачка з восьми повітряних кульок, усі вузли яких пов’язані в центрі.
Візуалізації
Математика, яка керує електронними орбіталями, є досить складною, але існує безліч Інтернет-ресурсів, які забезпечують графічне втілення різних орбіталей. Ці інструменти дуже корисні для візуалізації поведінки електронів навколо атомів.