Περιεχόμενο
Τα άτομα αποτελούνται από έναν βαρύ πυρήνα που περιβάλλεται από φωτεινά ηλεκτρόνια. Η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων διέπεται από τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής. Αυτοί οι κανόνες επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να καταλαμβάνουν συγκεκριμένες περιοχές που ονομάζονται τροχιακά. Οι αλληλεπιδράσεις των ατόμων είναι σχεδόν αποκλειστικά μέσω των εξόχως απόκεντρων ηλεκτρονίων τους, επομένως το σχήμα αυτών των τροχιακών γίνεται πολύ σημαντικό. Για παράδειγμα, όταν τα άτομα μεταφέρονται το ένα δίπλα στο άλλο, εάν τα εξωτερικά τους τροχιακά αλληλεπικαλύπτονται τότε μπορούν να δημιουργήσουν έναν ισχυρό χημικό δεσμό. έτσι κάποια γνώση του σχήματος των τροχιακών είναι σημαντική για την κατανόηση των ατομικών αλληλεπιδράσεων.
Κβαντικοί αριθμοί και τροχιακά
Οι φυσικοί έχουν βρει ότι είναι βολικό να χρησιμοποιούν στενογραφία για να περιγράψουν τα χαρακτηριστικά των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο. Η στενογραφία είναι από άποψη κβαντικών αριθμών. Αυτοί οι αριθμοί μπορούν να είναι μόνο αριθμοί, όχι κλάσματα. Ο κύριος κβαντικός αριθμός, n, σχετίζεται με την ενέργεια του ηλεκτρονίου. τότε υπάρχει ο τροχιακός κβαντικός αριθμός, l, και ο κβαντικός αριθμός γωνιακής ορμής, m. Υπάρχουν άλλοι κβαντικοί αριθμοί, αλλά δεν σχετίζονται άμεσα με το σχήμα των τροχιακών. Τα τροχιακά δεν είναι τροχιές, με την έννοια ότι είναι μονοπάτια γύρω από τον πυρήνα. Αντιθέτως, αντιπροσωπεύουν τις θέσεις όπου το ηλεκτρονικό είναι πιο πιθανό να βρεθεί.
S τροχιακά
Για κάθε τιμή του n, υπάρχει ένα τροχιακό όπου και τα l και m είναι ίσα με το μηδέν. Αυτά τα τροχιακά είναι σφαίρες. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του n, τόσο μεγαλύτερη είναι η σφαίρα - δηλαδή, τόσο πιο πιθανό είναι ότι το ηλεκτρόνιο θα βρεθεί μακρύτερα από τον πυρήνα. Οι σφαίρες δεν είναι εξίσου πυκνές. είναι περισσότερο σαν ένθετα κοχύλια. Για ιστορικούς λόγους, αυτό ονομάζεται s τροχιακό. Λόγω των κανόνων της κβαντικής μηχανικής, τα μικρότερα ενεργειακά ηλεκτρόνια, με n = 1, πρέπει να έχουν και τα δύο και m ίσα με το μηδέν, οπότε το μόνο τροχιακό που υπάρχει για το n = 1 είναι το τροχιακό. Το s τροχιακό υπάρχει επίσης για κάθε άλλη τιμή του n.
P Orbitals
Όταν το n είναι μεγαλύτερο από ένα, ανοίγονται περισσότερες δυνατότητες. L, ο αριθμός κβαντικού τροχιάς, μπορεί να έχει οποιαδήποτε τιμή μέχρι το n-1. Όταν το l ισούται με ένα, το τροχιακό ονομάζεται p τροχιακό. Οι τροχιές P φαίνονται κάπως σαν dumbbells. Για κάθε l, το m πηγαίνει από το θετικό στο αρνητικό l σε βήματα του ενός. Έτσι, για n = 2, l = 1, το m μπορεί να είναι ίσο με 1, 0, ή -1. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν τρεις εκδοχές του τροχιακού: ένα με τον αλτήρα προς τα πάνω και κάτω, άλλο με τον αλτήρα αριστερά προς τα δεξιά και άλλο με τον αλτήρα σε ορθή γωνία και στους δύο άλλους. Τα P τροχιακά υπάρχουν για όλους τους κύριους κβαντικούς αριθμούς μεγαλύτερους του ενός, αν και έχουν επιπλέον δομή καθώς το n μεγαλώνει.
D Orbitals
Όταν n = 3, τότε το l μπορεί να είναι ίσο με 2, και όταν το l = 2, το m μπορεί να είναι ίσο με 2, 1, 0, -1 και -2. Οι τροχιές l = 2 ονομάζονται d orbitals και υπάρχουν πέντε διαφορετικές που αντιστοιχούν στις διαφορετικές τιμές του m. Το n = 3, l = 2, m = 0 τροχιακό μοιάζει επίσης με έναν αλτήρα, αλλά με ένα ντόνατ γύρω από τη μέση. Τα άλλα τετράγωνα τετράγωνα εμφανίζονται σαν τέσσερα αυγά στοιβαγμένα στο τέλος σε ένα τετράγωνο μοτίβο. Οι διαφορετικές εκδόσεις έχουν μόνο τα αυγά που δείχνουν προς διαφορετικές κατευθύνσεις.
F Orbitals
Τα οδόντα n = 4, l = 3 ονομάζονται f orbitals και είναι δύσκολο να περιγραφούν. Έχουν πολλά σύνθετα χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, το n = 4, 1 = 3, m = 0; m = 1. και τα m = -1 τροχιακά έχουν σχήμα αλόγου και πάλι, αλλά τώρα με δύο ντόνατς μεταξύ των άκρων της μπάρας. Οι άλλες τιμές m φαίνονται σαν μια δέσμη οκτώ μπαλονιών, με όλους τους κόμβους δεμένα μεταξύ τους στο κέντρο.
Οπτικοποιήσεις
Τα μαθηματικά που διέπουν τα τροχιακά ηλεκτρονίων είναι αρκετά περίπλοκα, αλλά υπάρχουν πολλοί ηλεκτρονικοί πόροι που παρέχουν γραφικές πραγματοποιήσεις των διαφόρων τροχιακών. Αυτά τα εργαλεία είναι πολύ χρήσιμα στην οπτικοποίηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων γύρω από τα άτομα.