Sisu
Aatomid koosnevad rasketest tuumadest, mida ümbritsevad kerged elektronid. Elektronide käitumist reguleerivad kvantmehaanika reeglid. Need reeglid võimaldavad elektronidel hõivata konkreetseid piirkondi, mida nimetatakse orbitaalideks. Aatomite interaktsioonid toimuvad peaaegu eranditult nende välimiste elektronide kaudu, mistõttu nende orbitaalide kuju muutub väga oluliseks. Näiteks kui aatomid tuuakse üksteise kõrvale, kui nende välimised orbitaalid kattuvad, võivad nad luua tugeva keemilise sideme; nii et mõned teadmised orbitaalide kuju kohta on olulised aatomite interaktsioonide mõistmiseks.
Kvantarvud ja orbitaalid
Füüsikud on leidnud, et atoma elektronide omaduste kirjeldamiseks on otstarbekas kasutada lühendit. Lühend on kvantarvudes; need arvud võivad olla ainult täisarvud, mitte murdarvud. Peamine kvantarv n on seotud elektroni energiaga; siis on seal orbitaal kvantarv l ja nurkkiiruse kvantarv m. Kvantnumbreid on ka teisi, kuid need pole orbitaalide kujuga otseselt seotud. Orbitaalid ei ole orbiidid tuuma ümber kulgevate radade tähenduses; selle asemel tähistavad nad positsioone, kus elektron kõige tõenäolisemalt leitakse.
S orbitaalid
Iga n väärtuse jaoks on üks orbitaal, kus nii l kui ka m on võrdsed nulliga. Need orbitaalid on sfäärid. Mida suurem on n väärtus, seda suurem on kera - see tähendab, seda tõenäolisem, et elektron leitakse tuumast kaugemal. Sfäärid pole kogu ulatuses võrdselt tihedad; nad sarnanevad rohkem pesadega kestadele. Ajaloolistel põhjustel nimetatakse seda s-orbitaaliks. Kvantmehaanika reeglite tõttu peavad madalaima energiaga elektronide puhul n = 1 olema nii l kui ka m võrdsed nulliga, seega on n = 1 korral ainus orbitaal s-orbitaal. S orbitaal eksisteerib ka iga teise n väärtuse korral.
P orbitaalid
Kui n on suurem kui üks, avaneb rohkem võimalusi. L, orbitaalkvantarv, võib olla mis tahes väärtus kuni n-1. Kui l võrdub ühega, nimetatakse orbitaali p-orbitaaliks. P orbitaalid näevad välja nagu hantlid. Iga l kohta läheb m positiivsest negatiivseks l ühe sammuna. Niisiis, kui n = 2, l = 1, võib m olla võrdne 1, 0 või -1. See tähendab, et p-orbitaalil on kolm versiooni: üks hantliga üles ja alla, teine hantliga vasakult paremale ja teine hantliga mõlema suhtes täisnurga all. P orbitaalid eksisteerivad kõigi peamiste kvantarvude korral, mis on suuremad kui üks, kuigi neil on täiendav struktuur, kui n suureneb.
D Orbitaalid
Kui n = 3, siis l võib olla võrdne 2 ja kui l = 2, siis m võib olla võrdne 2, 1, 0, -1 ja -2. L = 2 orbitaali nimetatakse d orbitaaliks ja neid on viis erinevat, mis vastavad m erinevale väärtusele. Orbitaal n = 3, l = 2, m = 0 näeb samuti välja nagu hantlid, kuid sõõriku keskel. Ülejäänud neli d orbitaali näevad välja nagu neli muna, mis on otsas ruudukujulisena kokku laotud. Erinevatel versioonidel on munad lihtsalt eri suundades.
F Orbitaalid
N = 4, l = 3 orbitaali nimetatakse f-orbitaaliks ja neid on keeruline kirjeldada. Neil on mitu keerukat funktsiooni. Näiteks n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; ja m = -1 orbitaalid on jällegi hantlite kujuga, kuid nüüd koos barbellide otste vahel kahe sõõriga. Muud m väärtused näevad välja nagu kaheksa õhupalli kimp, mille kõik sõlmed on keskelt kinni seotud.
Visuaalid
Elektronorbitaale reguleeriv matemaatika on üsna keeruline, kuid on palju veebiressursse, mis pakuvad erinevate orbitaalide graafilisi realisatsioone. Need tööriistad on aatomite ümbritsevate elektronide käitumise visualiseerimisel väga kasulikud.