Атомна орбитала

Атомна орбитала (АО) е математическа (вълнова функция), която описва поведението на един или най-много два електрона в един атом. Орбиталата се определя от квантовото състояние на този електрон, тоест от неговите квантови числа. Вълновата функция има различна форма и пространствена насоченост за всеки отделен електронен слой, подслой и клетка и в математическо отношение представлява решение на уравнението на Шрьодингер при зададени стойности на квантовите числа:

• Главно квантово число (n) – отговарящо на номера на слоя, в който се намира електронът
• Орбитално квантово число (l) – отговарящо на подслоя, в който се намира електронът
• Магнитно квантово число (m) – отговарящо на квантова клетка от подслоя, в която се намира електронът
• Спиново квантово число (s) – отговарящо на спина, който има електронът, намиращ се в тази квантова клетка.

Форма на първите пет атомни орбитали: 1s, 2s, 2p_x, 2p_y и 2p_z (различните цветове означават различни фази на вълновата функция)

За всяка различна комбинация от стойности на квантовите числа има различно решение на уравнението. Отделните решения показват разпростирането на вълната на електрона в пространството около ядрото. Най-общо всяка една квантова клетка отговаря на отделна орбитала.

Наименованието „орбитала“ (вместо орбита) отразява геометричната представа за онагледяване на стационарните състояния на електрона в атома и по-точно факта, че тези състояния се описват със законите на квантовата механика и се отличават от класическото движение по определена траектория. Съвкупността от атомни орбитали с еднакво главно квантово число n съставя един електронен слой.

Електронен облак

Описание

След решаване на уравнението на Шрьодингер за електрон, намиращ се на определен слой, подслой и квантова клетка като резултат се получава вълнова функция. Но много време след откриването на уравнението много учени и дори самият Шрьодингер не били сигурни какво всъщност означава тази вълнова функция.

С развитието на квантовата механика вече има по ясна представа за това. Атомната орбитала представлява формата на вълната на електрона в това определено състояние. Електроните са частици с „двойствена природа“. В едни случаи те могат да се разглеждат като частици, а в други – като вълни (виж Корпускулярно-вълнов дуализъм). Според квантовата теория всяка елементарна частица (каквато е и електронът) всъщност представлява възбуждане на съответното ѝ поле. Тоест електронът е възбуждане на електронното поле. Хигс бозонът е възбуждане на полето на Хигс. Тези „полета“ се смятат за безкрайни и преминаващи през цялата вселена. Тези възбуждания в полетата са под формата на енергийни вълни в поле, аналогично на това как една вълна в океана е възбуждане на самия океан. А тези вълни в електронното поле всъщност представляват материята, която сме свикнали да наричаме електрон. Точно за това електронът не може да се възприема толкова като нещо материално (като много малко топче), а по-скоро като безкрайна вълна от енергия, по-силна на едни места и по-слаба на други. И орбиталата е точно тази вълна в електронното поле, олицетворяваща електрона.

Орбита ≠ орбитаЛА ≠ електронен облак

Понятието орбитала е понятие от квантовата механика. To обаче не трябва да се смесва c използваното от квантовата теория понятие орбита. Орбитата е реално съществуваща траектория, по която се движи дадена частица или тяло.

Орбиталата е вълнова функция на един електрон с определена енергия намиращ се около ядрото на даден атом. С нейна помощ може да се изчисли разпределението на електронната плътност. Ако се изчисли това разпределение, се намира формата на електронния облак, за даденото състояние на електрона около атома. Електронният облак, а не орбиталата, е частта от пространството, в която е възможно да намерим електрона (като частица). Но формата на АО и на облака са доста сходни като форма и насоченост. И до двете се достига след решаване на уравнението на Шрьодингер.

Геометрично представяне

Форма и разположение в пространството на s-, p-, d- и f-орбиталите

Геометричното представяне на атомната орбитала е областта от пространството, ограничена от повърхност с равна плътност на вероятността или електричния заряд. Обикновено плътността на вероятността за намиране на електрона в тази ограничена област варира в диапазона 0,9 – 0,99.

Тъй като енергията на електрона се определя от кулоновото взаимодействие и зависи от разстоянието до ядрото, главното квантово число n определя размера на орбиталата. Нейната форма и симетрия се определят от орбиталното и магнитното квантови числа l и m: s-орбиталите имат сферична симетрия, p-, d- и f-орбиталите имат по-сложна форма, определяна от ъгловите компоненти на вълновата функция. Линейната им комбинация определя положението на орбиталите спрямо осите на координатната система.

Запълване на орбиталите с електрони

На всяка орбитала може да се намират не повече от два електрона, различаващи се по стойността на спиновото квантово число s (или по спин). Това се определя от принципа на Паули. Редът за запълване на орбиталите с електрони с едно значение на главното квантово числа n се определя от правилото на Клечковски, а редът за запълване на орбиталите с електрони в рамките на едно подниво (т.е. орбитали с еднакво главно квантово число n и орбитално квантово число l) се определя от правилото на Хунд.

Краткият запис на разпределението на електроните в атома по различните нива според тяхното главно и орбитално квантови числа n и l се нарича електронна конфигурация на атома.

Източници

Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата „Атомная орбиталь“ в Уикипедия на руски. Оригиналният текст, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс – Признание – Споделяне на споделеното“, а за съдържание, създадено преди юни 2009 година – от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, както и на преводната страница, за да видите списъка на съавторите. ​ ВАЖНО: Този шаблон се отнася единствено до авторските права върху съдържанието на статията. Добавянето му не отменя изискването да се посочват конкретни източници на твърденията, които да бъдат благонадеждни.​