Atoma orbitāles — definīcija, tipi un nozīme kvantu mehānikā

Atoma orbitāles ir vietas ap atoma kodolu, kur jebkurā brīdī visdrīzāk atrodas elektroni. Tā ir matemātiska funkcija, kas apraksta viena elektrona vai elektronu pāra viļņveida uzvedību atomā. Precīzāk — orbitāle ir viļņu funkcija (mākslīgā valodā: viļņa amplitūda), kuras kvadrāts sniedz varbūtības blīvumu, cik liela iespējamība, ka elektrons atradīsies konkrētā telpas punktā.

Vārds "orbitālais" ir lietots tāpēc, ka tika uzskatīts, ka elektronu uzvedība ir līdzīga Saules sistēmas uzvedībai, kur kodols ir kā saule, bet elektroni riņķo kā planētas. Mūsdienu kvantu mehānika gan rāda, ka elektronu kustība nav klasiska "riņķošana" — tas ir viļņveida un varbūtību aprakstošs process.

Atomu orbitāļu skaitu elementā nosaka periods, kurā atrodas elements. Elektroni pārvietojas starp orbitālēm atkarībā no tā, cik ātri tie pārvietojas un cik daudz ir citu elektronu.

Atomu teorijā un kvantu mehānikā atoma orbitāle ir kvantu skaitlis. Katru šādu orbitāli var aizņemt viens vai divi elektroni. Orbitāļu izvietojums ir saistīts ar atomu elektronu konfigurācijām. Tās tika atvasinātas no agrīno spektroskopistu sniegtajiem dažu sārmu metālu spektroskopisko līniju aprakstiem kā asas, galvenās, izkliedētas un fundamentālas.

Kā orbitāles raksturo kvantu mehānikā

Orbitāles apraksta četri kvantu skaitļi:

• Galvenais kvantu skaitlis n — nosaka enerģijas līmeni (šeļļu) un orbitāles izmēru (n = 1, 2, 3 ...).
• Orbitālais (angl. azimuts) kvantu skaitlis l — nosaka subshell tipu un orbitāles formu (l = 0, 1, 2, ... n−1); l vērtības parasti apzīmē ar burtiem: s (l=0), p (l=1), d (l=2), f (l=3) u.c.
• Magnētiskais kvantu skaitlis m_l — nosaka orbitāles orientāciju telpā (m_l = −l ... +l); subshellā ir 2l+1 atsevišķas orbitāles.
• Spin kvantu skaitlis m_s — apraksta elektrona spinstāvokli (+1/2 vai −1/2). Katru orbitāli var aizņemt ne vairāk kā divi elektroni ar pretējiem spinam.

Orbitāļu formas un īpašības

Katra orbitaļes viļņu funkcija rada raksturīgu formu un virsmas, uz kurām varbūtība atrast elektronu ir augsta. Tipiskās formas:

• s-orbitāles — sfēriskas ap atomu kodolu.
• p-orbitāles — hanteles formas, orientētas pa dažādām asīm (trīs orientācijas: p_x, p_y, p_z).
• d- un f-orbitāles — sarežģītākas formas ar vairāk uzgaļiem; svarīgas pārejas metālu un retzemju elementu ķīmijā.

Orbitāļu enerģija nav atkarīga tikai no n, bet arī no l — tas nosaka periodisko tabulu un ķīmiskās īpašības. Enerģiju kārtību bieži apraksta ar n + l noteikumu (Aufbau princips), lai gan ir izņēmumi (piem., d- un s-orbitalu aizpildīšanās variācijas pārejas metālos).

Elektronu uzbūve, uzpildīšana un eksperimentālie pierādījumi

Katru orbitāli var aizņemt maksimums divi elektroni (saskaņā ar Pauli eksklūzijas principu). Elektronu izvietojumu subshellos nosaka arī Hunda noteikums: degenerate (vienādas enerģijas) orbitāles subshellā vispirms aizņem viens elektrons ar paralēliem spinam, pirms pāri veidojas.

Orbitāles un to enerģijas līmeņus apstiprina eksperimentāli, piemēram, ar atomu spektroskopiju (elektronu pārejas rada raksturīgas līnijas), fotoelektronu spektroskopiju un citiem kvantu mērījumiem.

Nozīme ķīmijā un molekulārajā fizikā

Orbitāles ir pamats, lai izprastu ķīmiskās saites: molekulārās orbitāles veidojas no atomu orbitāļu kombinācijām, un to aizpildījums nosaka molekulas stabilitāti, reaktivitāti un magnētiskās īpašības. Elektronu konfigurācija (piem., 1s² 2s² 2p⁶) paskaidro elementu ķīmiskās īpašības un vietu periodiskajā tabulā.

Vizualizācija un praktiskais pielietojums

Orbitāles parasti vizualizē kā virsmas, kurās varbūtība atrast elektronu ir, piemēram, 90%. Datoru kvantu ķīmijas programmas (piemēram, metodes, kas risina Šrēdingera vienādojumu) ļauj modelēt orbitāļu formas un enerģijas sarežģītām sistēmām — no atomi līdz lielām molekulām un materiāliem. Šie modeļi ir būtiski farmācijā, materiālzinātnē, katalīzē un elektronikas izpētē.

Kopsavilkums

Orbitāles nav šauras "trajektorijas", bet viļņu funkcijas, kas dod varbūtību, kur elektrons atradīsies. Tās raksturo kvantu skaitļi, nosaka elektronu konfigurācijas un ir centrālais jēdziens, lai saprastu atomu uzbūvi, spektroskopiju un ķīmiskās saites. Zināšanas par orbitālēm nodrošina pamatu mūsdienu ķīmijai un kvantu fizikā.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir atomu orbitāles?

J: Kāda ir matemātiskā funkcija, kas apraksta elektronu uzvedību atomā?

J: Kāpēc tiek lietots vārds "orbitāle"?

J: Kā nosaka atomu orbitāļu skaitu elementā?

J: Kāpēc elektroni pārvietojas starp orbitālēm?

J: Kas ir atoma orbitāle atomu teorijā un kvantu mehānikā?

J: Cik elektronu var ieņemt katra atoma orbitāle?

Meklēt pēc burta