Orbital - Atomic orbital


Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Kształt tych pierwszych pięciu orbitali atomowych: 1S, 2S, 2p x , 2P Y i 2p Z . Te dwa kolory pokazują fazy lub znak funkcji fali w każdym obszarze. Są to wykresy * F ( x ,  y ,  z ), funkcje, które są zależne od współrzędnych jednego elektronu. Aby zapoznać się z wydłużonego kształtu * F ( x ,  y ,  Z ) 2 funkcje wykazują gęstość prawdopodobieństwa bardziej bezpośrednio, patrz poniższe wykresy d-orbitali.

W atomowych teorii i mechaniki kwantowej An orbitali atomowych jest funkcją matematyczną , który opisuje zachowanie fal jak też jednego elektronu lub parę elektronów w atomie . Ta funkcja może być wykorzystywana do obliczania prawdopodobieństwa znalezienia jakiegokolwiek elektronu atomu w żaden szczególny region wokół jądra atomu . Określenie Orbital może także odnosić się do obszaru ciała lub pomieszczenia, w którym elektrony może być obliczona w próbce, jak określono w szczególnej postaci matematycznej oczodołu.

Każdy orbitalnej w atomie charakteryzuje unikatowy zestaw wartości z trzech liczb kwantowych n , £ -l , i m , które odpowiadają odpowiednio elektronu energii , pędu , a moment pędu składowej wektora (The magnetyczne liczbą kwantową ). Każdy taki orbitalne mogą być zajmowane przez maksymalnie dwa elektrony, każdy z własnym wirowania liczba kwantowa s . Się prostymi nazwami s orbitalnej , str orbitalnej , d orbitalny i f orbitalnej patrz orbitali z momentem pędu kwantowej numer £ -l = 0, 1, 2 i 3 odpowiednio. Nazwy te, wraz z wartością  n , są używane do opisania konfiguracje elektronowe atomów. Pochodzą one z opisu przez pierwszych spektroskopowe niektórych szeregu metali alkalicznych linii spektralnych jak y harfy p rincipal, d iffuse i f undamental. Orbitale dla £ -l > 3 kontynuować alfabetycznie, pomijając j (G, H, I, K, ...), ponieważ w niektórych językach nie ma rozróżnienia między literami "i" i "j".

Orbitali atomowych podstawowy budulec modelu Orbital (alternatywnie zwanego chmura elektronów lub mechaniki fali modelu) ramy nowoczesnego wizualizacji submikroskopowe zachowanie elektronów w materii. W tym modelu chmura elektronów atomu wiele elektronów mogą być postrzegane jako zbudowany (w przybliżeniu) w konfiguracji elektronowej, która jest produktem prostszych wodoru jak orbitali atomowych. Powtarzając częstotliwość z pasków 2, 6, 10 oraz 14 elementów w sekcji okresowego powstaje w sposób naturalny z ogólnej liczby elektronów, które zajmują komplet s , str , d i f orbitali atomowych, odpowiednio, chociaż w przypadku wyższe wartości kwantowej liczba n , zwłaszcza gdy atom, o którym mowa niesie ładunek dodatni, energie pewnych sub-skorup być bardzo podobne, tak więc kolejność , w której mówi się, że jest wypełniona przez elektrony (na przykład Cr [ar] 4 y 1 3 d 5 Cr 2+ = [ar] 3 d 4 ) można zracjonalizować tylko nieco arbitralnie.

Atomowych orbitali z elektronów w atomie wodoru przy różnych poziomach energetycznych. Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest przez kolor, jak pokazano na klucz w prawym górnym rogu.

właściwości elektronowe

W miarę rozwoju mechaniki kwantowej i ustaleń doświadczalnych (takich jak dyfrakcja dwie szczeliny elektronów), stwierdzono, że krążące elektrony wokół pierścienia nie może być w pełni opisany w postaci cząstek, a być wyjaśnione przez dualnością fali cząstek . W tym sensie, elektrony mają następujące właściwości:

Właściwości fali jak:

  1. Elektrony nie krążą wokół jądra w sposób planety krążące wokół słońca, ale zamiast występować w postaci fal stojących . Tym samym najniższy możliwy energia elektronu może podobny do podstawowej częstotliwości fali na sznurkiem. Wyższe stany energetyczne są podobne do harmonicznych tej częstotliwości podstawowej.
  2. Elektrony nie są w jednej lokalizacji punktów, choć prawdopodobieństwo oddziaływania z elektronów w jednym miejscu znajduje się z funkcją fali elektronu. Ładunkiem elektronów działa jak jest rozmazany w przestrzeni w sposób ciągły rozkład proporcjonalne w dowolnym punkcie do kwadratu wielkości elektronu funkcji fali .

Cząstek jak właściwości:

  1. Liczbę krążących wokół jądra elektronów może być tylko liczbą całkowitą.
  2. Elektrony skok pomiędzy orbitali takich cząstek. Na przykład, jeśli jeden foton uderza elektronów tylko jedna zmiana elektronów stanowi odpowiedź na fotonu.
  3. Elektrony zachowują właściwości cząstek, jak na przykład: każdy stan fali ma taki sam ładunek elektryczny w swojej cząsteczce elektronów. Każdy stan fali ma pojedynczą dyskretną wirowanie (spin górę lub spowalniania obrotów), w zależności od jego nakładania .

Tak więc, pomimo popularnym sposobem analogicznym do planety obracanych wokół Słońca elektrony nie może być opisany tylko jako cząstki stałe. Ponadto, orbitale atomowe nie przypominają planety eliptyczną ścieżkę w zwykłych atomów. Bardziej dokładne analogia może być taka, jak duże i często dziwnie ukształtowanej „atmosfery” (elektron), rozmieszczone na względnie małą planetkę (jądra atomowego). Orbitali atomowych opisać dokładnie kształt tej „atmosfery” tylko wtedy, gdy jest obecny pojedynczy elektron z atomu. Gdy więcej elektronów są dodawane do jednego atomu dodatkowe elektrony mają tendencję do bardziej równomiernie wypełnić objętość przestrzeni wokół pierścienia tak, że otrzymany Collection (czasami określany jako pyłku „chmura elektronów”), zwykle w kierunku zasadniczo kulistą strefę prawdopodobieństwa opisującej położenie elektronu, ponieważ z zasady nieoznaczoności .

Formalna definicja kwantowy mechaniczny

Orbitale atomowe mogą zostać dokładniej określone w formalnym kwantowej mechanicznej języku. W szczególności, w mechanice kwantowej stan atomu, co daje całkowitą eigenstate atomowej Hamiltonianu jest przybliżona przez rozszerzenie ( oddziaływania konfiguracji ekspansji i podstwowej ) do liniowej kombinacji produktów zapobiegających symetryzowanych ( Slater determinanty ) jednostronne funkcje elektronów. Składowe przestrzenne tych funkcji jednoelektronowe nazywane orbitali atomowych. (Gdy weźmie się pod uwagę również ich wirowania składnik, mówi się o atomowych orbitali wirowania ). Stan jest w rzeczywistości jest funkcją współrzędnych wszystkich elektronów, tak, że ich ruch jest skorelowane, ale często jest to w przybliżeniu przez ten wzór niezależnie cząstek o produkty pojedynczych funkcji fali elektronowej. (The siła Londyn dyspersji , na przykład, zależy od korelacji ruchu elektronów).

W fizyce atomowej , że atomowe linie widmowe odpowiadają przejściom ( kwantowych skoków ) pomiędzy stanów kwantowych atomu. Stany te są oznaczone przez zestaw numerów kwantowej opisanymi w symbolu okresie , zazwyczaj związanych z poszczególnymi konfiguracji elektronowej, tj systemami zajętości orbitali atomowych (na przykład, 1 s 2  2s 2  2p 6 do stanu podstawowego neon -TERM symbolu : 1 S 0 ).

Ta notacja oznacza, że odpowiednie czynniki Slater mieć wyraźny wyższą wagę w interakcji konfiguracja ekspansji. Koncepcja Orbital atomowy jest zatem kluczowym pojęciem dla wizualizacji procesu pobudzenia związanego z danym przejściu . Dla przykładu można stwierdzić, dla danego przejścia, że odpowiada wzbudzenia elektronów ze związku zajętego orbitalu do danego pustych orbitalnej. Niemniej jednak, trzeba pamiętać, że elektrony są fermionami rządzone przez zakaz Pauliego i nie można odróżnić od innych elektronów w atomie. Ponadto, czasami zdarza się, że ekspansja mieszania konfiguracji zbiega się bardzo powoli i nie można mówić o prostej funkcji jedną determinantę fali w ogóle. Tak jest w przypadku, gdy korelacja elektronowa jest duża.

Zasadniczo orbitalnej atomowa jest to funkcja fali jednego elektronu, chociaż większość elektrony nie istnieje w atomów jeden elektronów, a więc widok jednego elektronu jest przybliżeniem. Myśląc o orbitali, jesteśmy często punktację wizualizację orbitalną silnym wpływem Hartree-Focka zbliżenia, która jest jednym ze sposobów zmniejszenia złożoności teorii orbitali molekularnych .

Typy orbitali

3D widoki niektórych wodoru jak orbitali atomowych wykazujące gęstości prawdopodobieństwa i fazę ( G orbitali i wyższe nie są pokazane)

Orbitali atomowych może być „orbitale” wodór podobne, które są dokładne do rozwiązania równania Schrödingera dla wodór jak „atom” (tj aromatycznym jednym elektronowym). Alternatywnie orbitali atomowych odnosić się do funkcji, które są zależne od współrzędnych z jednym elektronem (tj orbitali), ale są stosowane jako punkt wyjścia do zbliżenia funkcji fali, które zależą od równoczesnych współrzędne wszystkich elektronów w atomie lub cząsteczki. Te układy współrzędnych wybrane dla orbitali atomowych zwykle współrzędne kuliste ( R , θ, φ) z węgla i cartesians (x, y, z) w wieloatomowych cząsteczek. Zaletą sferycznych współrzędnych (atomy) jest funkcją fali orbitalnej jest produktem trzech czynników siebie zależne od jednego współrzędnych: * F ( R , θ, φ) = R ( r ) Θ (θ) Φ (φ) . Kątowe czynniki orbitali atomowych Θ (θ) Φ (φ) generowania S, P, D, itd. Działa jako rzeczywistych kombinacji z sferycznych harmonicznych Y ℓm (θ, φ) (gdzie i m są liczbami kwantowe). Są to zazwyczaj trzy formy matematyczne dla funkcji promieniowe  R ( r ) , który może być wybrany jako punkt wyjścia dla obliczenia właściwości atomów i cząsteczek z wielu elektronów:

  1. W wodór jak orbitali atomowych pochodzą od dokładnej roztworu Schrödinger'a równanie jednego elektronu i jądra, dla atomu wodoru podobne . Część funkcji, która zależy od odległości r od jądra ma węzły (węzły promieniowe) oraz rozkłada się w e - (stałej odległości x) .
  2. Slater typu orbitalne (STO) jest forma bez węzłów promieniowe ale rozpada się z jądra podobnie jak wodór, jak orbitalnej.
  3. Forma typu Gaussa orbitalnej (Gaussians) ma węzły promieniowe i rozpada się w .

Chociaż orbitale wodór jak nadal są wykorzystywane jako narzędzia dydaktycznych pojawienie komputerów dokonał STO korzystne atomów i cząsteczek dwuatomowej od kombinacji STO może zastąpić węzły w wodór, takich jak orbitali atomowych. Gaussians są zwykle wykorzystywane w cząsteczkach o trzech lub większej liczbie atomów. Chociaż nie równie dokładne same jak STO, kombinacje wielu Gaussians może osiągnąć dokładność orbitali wodór podobne.

Historia

Określenie „orbitalnej” powstał przez Roberta Mulliken 1932 jako skrót dla jednego elektronu funkcji fali orbitalnej . Jednak pomysł, że elektrony mogą obracać się wokół jądra kompaktowej z określonym momentem pędu została przekonująco argumentował co najmniej 19 lat wcześniej przez Nielsa Bohra , a japoński fizyk Hantaro Nagaoka opublikował hipotezę orbity oparte na zachowaniach elektronicznej już w 1904 roku wyjaśniając zachowanie tych elektronów „orbit” był jednym z motorów rozwoju mechaniki kwantowej .

wczesne modele

Z JJ Thomson odkrycia jest elektronu w 1897 roku stało się jasne, że atomy nie są najmniejsze cegiełki natury, ale raczej cząstek kompozytowych. Nowo odkryta struktura wewnątrz atomów kuszony wiele sobie wyobrazić, w jaki sposób części składowe atomu może współdziałać ze sobą. Thomson teorię, że wiele elektrony obracała orbity jak pierścienie ciągu dodatnio naładowanej substancji galaretowatej i między odkryciu elektronu i 1909, to „ Model atomu Thomsona ” był powszechnie akceptowane wyjaśnienie struktury atomowej.

Wkrótce po odkryciu Thomsona, Hantaro Nagaoka przewidzieć inny model struktury elektronowej. W odróżnieniu od modelu budyń śliwkowym, ładunek dodatni w Nagaoka za „Saturna Model” zatężono do centralnego rdzenia, ciągnąc elektrony na orbitach kołowych przypominających pierścienie Saturna. Kilka osób wzięło zawiadomienie o pracy Nagaoka w momencie, a sam Nagaoka rozpoznał zasadniczą wadę w teorii nawet w jego koncepcji, a mianowicie, że klasyczny pobierana obiekt nie może utrzymać ruch orbitalny, ponieważ przyspiesza i dlatego traci energię z powodu promieniowania elektromagnetycznego. Niemniej jednak wzór Saturnian okazał się mieć więcej wspólnego z nowoczesną teorią niż którykolwiek z jego współczesnych.

atomu Bohra

W 1909 roku, Ernest Rutherford, odkryto, że większość masy atomowej szczelnie skrapla się w jądrze, co stwierdzono również być naładowana dodatnio. Stało się jasne, z jego analizy w 1911 roku, że model budyń śliwkowy nie mógł wyjaśnić strukturę atomową. W 1913 roku, doktora studenta Rutherford, Niels Bohra zaproponowano nowy model węgla, w którym elektrony krążył jądro z okresów klasycznych, lecz były dozwolone tylko do dyskretnych wartości pędu, kwantowanego w jednostkach h / 2n . Ograniczenie to automatycznie jest dozwolone tylko pewne wartości energii elektronów. Bohra modelu atomu rozwiązaniu problemu utraty energii z promieniowania od stanu podstawowego (o stwierdzając, że nie ma to stan poniżej) oraz, co ważniejsze wyjaśnione pochodzenia linii widmowych.

Po użyciu Bohra Einsteina wyjaśnieniem jest z fotoelektrycznego odnoszenia poziomów energetycznych atomów o długości fali emitowanego światła, połączenie między strukturą elektronów w atomach, a emisja i absorpcja widma atomów stał się bardziej przydatnym narzędziem w zrozumieniu elektronów w atomach. Najbardziej znaczącą cechą emisji i widmem absorpcji (znany eksperymentalnie od połowy 19 wieku), było to, że te widma atomowe zawarte oddzielne linie. Istotność modelu Bohra było to, że związane z linii emisji i widmem absorpcji w różnice energii między orbit, że elektrony mogą przyjmować wokół atomu. Zostało to jednak nie osiąga się przez Bohra elektrony przez dając jakieś właściwości fal podobnych, ponieważ myślą, że elektrony mogły zachowywać się jak fale materii nie sugerowano aż jedenaście lat później. Nadal korzystać z modelu Bohra z quantized kątowej pędów i dlatego skwantyzowanych poziomów energetycznych było znaczącym krokiem w kierunku zrozumienia elektronów w atomach, a także znaczącym krokiem w kierunku rozwoju mechaniki kwantowej , sugerując, że ograniczenia kwantowane musi uwzględniać wszystkie nieciągłych poziomów energetycznych oraz widma w węgla.

Z de Broglie sugestia jest istnienia fal materii elektronów w 1924 r, a w krótkim czasie przed pełnym 1926 równanie Schrödinger'a leczenia atom wodoru jak , A Bohra elektronów «długość fali» może być postrzegane jako funkcja jego pędu , a tym samym Bohra orbicie elektronów zaobserwowano, aby obracać się w okręgu na wielu jej połowie długości fali (to fizycznie nieprawidłowe modelu Bohra nadal często uczy się począwszy uczniów). Model Bohra na krótki czas może być postrzegane jako klasyczny model z dodatkowym ograniczeniem przedstawionych przez argument "fal. Jednak okres ten został natychmiast zastąpiony przez pełnych trójwymiarowych mechaniki falowej 1926 roku w naszej obecnej zrozumienia fizyki, model Bohra nazywa semi-klasycznego modelu z powodu jego kwantyzacji momentu pędu, a nie przede wszystkim ze względu na jej związek z długość fali elektronu, który ukazał się w celowniku kilkanaście lat po model Bohra został zaproponowany.

Model Bohra w stanie wyjaśnić emisji i widma absorpcji wodoru . Energia elektronów w n = 1, 2, 3 itd stanów w modelu Bohra odpowiadają w obecnym fizyki. Jednak to nie wyjaśnia podobieństwa między różnymi atomami, wyrażone przez okresowego, takich jak fakt, że hel (dwa elektrony) świecący (10 elektrony) i argonu (18 elektrony) wykazują podobną obojętność chemiczną. Nowoczesna mechanika kwantowa wyjaśnia to w zakresie powłok elektronowych i podpowłok których każda może pomieścić pewną liczbę elektronów ustalonych przez zakaz Pauliego . Tak więc brak stanu = 1 może zawierać jeden lub dwa elektrony, zaś n stan = 2 może zawierać do ośmiu elektronów 2s i 2p podpowłok. W hel, wszystkie n = 1 członkowskie są w pełni zajęty; to samo dla n = 1 i n = 2, w neon. W argonu na 3s i 3p podpowłok są podobnie pełni zajęty przez osiem elektronów; mechaniki kwantowej pozwala 3d powłoki w tle, ale jest to o wyższej energii niż 3 s i 3P, w atmosferze argonu (w przeciwieństwie do sytuacji, w tym atomem wodoru) i pozostaje pusta.

Nowoczesne koncepcje i połączenia z zasadą nieoznaczoności Heisenberga

Natychmiast po Heisenberg odkrył swoją zasadę nieoznaczoności , Bohr zauważyć, że istnienie jakiejkolwiek paczki falowej oznacza niepewność częstotliwości fali i długości fali, ponieważ potrzebna jest rozpiętość częstotliwości do tworzenia samego pakietu. W mechanice kwantowej, gdzie wszystkie pędy cząstek związanych z falami, to jest utworzenie takiego pakietu falowego, który lokalizuje fali, a tym samym cząstki, w przestrzeni. W krajach, w których kwantowej cząsteczek mechaniczne związane, muszą być zlokalizowane w postaci pakietu fal, oraz istnienia pakietu i jego minimalna wielkość oznacza rozprzestrzeniania się i wartość minimalną długość fali cząstek, a tym samym również pędu i energii. W mechanice kwantowej w postaci cząstek jest zlokalizowany w mniejszym obszarze w przestrzeni, związane skompresowanego pakietu fal wymaga coraz większy zakres pędów, a tym samym większą energię kinetyczną. W ten sposób energia wiązania zawierać albo pułapki cząstek w mniejszym obszarze wzrasta przestrzeń bez ograniczenia, gdy obszar powierzchni rośnie mniejsze. Cząstki nie może ograniczać się do punktu w przestrzeni geometrycznej, ponieważ wymagałoby to nieskończoną cząstek rozpędu.

W chemii, Schrödingera , Paulinga , Mulliken i inni zauważyć, że konsekwencją stosunku Heisenberga, że elektrony jako pakietu fal, nie może być uważany za dokładne położenie w jego okrężny. Max Born sugerują, że pozycja elektronu potrzebne są opisane rozkładu prawdopodobieństwa , który został połączony ze znalezieniem elektronów w pewnym punkcie w funkcji fali, który opisany związany z nim pakiet fali. Nowe mechanika kwantowa nie poddawał dokładne wyniki, ale tylko dla prawdopodobieństwa wystąpienia różnych możliwych takich wyników. Heisenberg stwierdził, że tor cząstki poruszającej nie ma sensu, jeśli nie możemy go zaobserwować, jak nie możemy z elektronów w atomie.

W kwantowej obraz Heisenberga Schrödinger i innych, liczba atomów Bohra  n na każdej orbicie, stał się znany jako hipersfera w trójwymiarowej atomu i przedstawiano jako średnią energii chmury prawdopodobieństwa pakietu fal elektronu otaczająca atom.

nazwy orbitalne

notacja Orbital

Orbitale nadano imiona, które są zazwyczaj podawane w postaci:

gdzie X ma poziom energii odpowiadającej głównej liczby kwantów n ; typ jest mała litera oznaczając kształt lub powłoki w tle orbitalnego, odpowiadające kątowe liczbą kwantową  £ -l ; i r oznacza liczbę elektronów, że okrężny.

Na przykład, 1S orbitalne 2 (widoczne jako poszczególne cyfry i litery „jeden Ess dwa”) ma dwa elektrony i najniższy poziom energii ( n = 1 ) oraz posiada kątowy liczbę kwantową £ -l = 0 , oznaczoną jako S ,

Notacja X-ray

Istnieje również inna, mniej powszechne system nadal stosowane w dziedzinie rentgenowskiej znanej jako zapis rentgenowskich , które jest kontynuacją w notacji przed teorii orbitalnej dobrze poznane. W tym systemie, główna liczba kwantowa otrzymuje list z nim związane. Dla n = 1, 2, 3, 4, 5, ... , liter skojarzonych z tych numerów to K, L, M, N, O, ..., odpowiednio.

Wodór jak orbitale

Najprostsze orbitali atomowych są te, które są obliczane dla systemów z jednego elektronu, taki jak atom wodoru . Atom jakiegokolwiek innego elementu zjonizowanego do jednego elektronu jest bardzo podobny do wodoru i orbitale mieć taką samą postać. W równaniu Schrödingera w tym systemie jeden ujemny i jeden pozytywny cząstek stałych, orbitali atomowych są stany własne według Hamiltona operatora na energię. Można je otrzymać analitycznie, co oznacza, że powstałe orbitale są produktami serii wielomianu i funkcji wykładniczej i trygonometryczne. (patrz atom wodoru ).

Atomy z dwóch lub więcej elektronów równania regulujące można rozwiązać tylko przy zastosowaniu metody iteracyjnej regresji. Orbitale atomów wielu elektronów są jakościowo podobne do tych z wodorem, w najprostszych modeli są podejmowane mieć taki sam kształt. Dla bardziej rygorystycznej i dokładnej analizy, należy stosować przybliżenia liczbowe.

Daną (węgiel podobne) Orbital identyfikuje się przez unikalne wartości trzech liczb kwantową n , £ -l , a m £ -l . Przepisy ograniczające wartości liczb kwantowych i ich energie (patrz niżej), wyjaśnić konfiguracji elektronowej atomów i okresowego .

Gdy stan stacjonarny ( stany kwantowe ) z atomów wodoru, tak jak to jego orbitali atomowych. Jednakże, na ogół, zachowanie elektronu nie jest w pełni opisane przez pojedynczy okrężny. Stany elektronowe są najlepiej reprezentowane przez „mieszaniny” w zależności czasowych ( kombinacje liniowe ) z wieloma orbitali. Patrz kombinacji liniowej metody orbitalnej cząsteczkowej orbitali atomowych .

Liczbę kwantowej n pierwszy pojawiły się w modelu Bohra gdzie określa promień każdego orbitę elektronów. W nowoczesnych mechaniki kwantowej, jednakże, n określa się średnią odległość elektronu z pierścienia; wszystkie elektrony z samą wartość n leżą w tej samej średniej odległości. Z tego powodu, orbitali o tej samej wartości n są uważane zawierać „ powłoka ”. Orbitale o tej samej wartości n , a także taką samą wartość  £ -l jeszcze bardziej ściśle spokrewnione, i że do zawierać „ powłoki w tle ”.

Liczby kwantowe

Ze względu na mechaniczną naturę kwantowej elektronów wokół jądra orbitali atomowych może być określony jako zbiór liczb całkowitych, znanych jako numery kwantowej. Te liczby kwantowe występują tylko w pewnych kombinacjach wartości, a ich interpretacja fizyczna zmienia się w zależności od tego, czy rzeczywistymi lub zespolonymi wersje orbitali atomowych są zatrudnieni.

złożone orbitale

W fizyce najczęstszymi opisy orbitalne są oparte na rozwiązaniach z atomem wodoru, gdzie orbitale dany jest iloczynem funkcję promieniowego i czystego sferyczną harmoniczną. Liczby kwantowe, wraz z zasadami regulującymi ich możliwe wartości są następujące:

Główny kwantowa liczba N określa energię elektronów i zawsze jest dodatnią liczbą całkowitą . W rzeczywistości może to być dowolna liczba całkowita dodatnia, ale ze względów omówionych poniżej, duże numery są rzadko spotykane. Każdy atom jest, na ogół, wiele orbitali związanych z każdej wartości n ; Te orbitale są wspólnie nazywane powłok elektronowych .

Azymutalny liczbą kwantową opisuje orbitalny pędu poszczególnych elektronów i nieujemną liczbą całkowitą. W otoczce, gdzie n jest liczbą całkowitą niektórych n 0 , wynosi we wszystkich (całkowitej) wartości spełniających zależność . Na przykład, n = 1  powłoka ma tylko orbitali z , a n = 2  skorupy ma tylko orbitali z i . Zestaw orbitali związanych z określonym wartości  £ -l są czasami zbiorczo nazywa się powłoki w tle .

Magnetycznego liczbą kwantową , opisuje moment magnetyczny elektronu w dowolnym kierunku, a także zawsze liczbą całkowitą. W ciągu podpowłoce gdzie jest jakaś liczba całkowita , waha się w następujący sposób: .

Powyższe wyniki mogą być podsumowane w poniższej tabeli. Każda komórka reprezentuje podpowłoce i wyświetla wartości dostępne w tej podpowłoce. Puste komórki reprezentują podpowłok, które nie istnieją.

= 0 = 1 = 2 = 3 = 4 ...
n = 1
n = 2 0 1, 0, 1
n = 3 0 1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2
n = 4 0 1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3
n = 5 0 1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4
... ... ... ... ... ... ...

Podpowłok zwykle są identyfikowane przez ich - i -values. reprezentują wartości liczbowej, ale jest reprezentowany przez literę w następujący sposób: 0 reprezentowany jest przez „s”, 1, „p”, 2 o „d”, 3 o „f”, i 4, „g”. Przykładowo, można mówić o podpowłoce z i jako „2s podpowłoce”.

Każdy elektronów ma również liczbę kwantową wirowania , S , co opisuje wirowania każdego elektronów (obracać się lub obraca w dół). Liczba e może wynosić + 1 / 2 lub - 1 / 2 .

Zakaz Pauliego stwierdza, że żadne dwa elektrony w atomie może mieć te same wartości wszystkich czterech liczb kwantowych. Jeżeli istnieją dwa elektrony w orbitalnej z podanych wartości dla trzech liczb kwantowych (N, L, m), te dwa elektrony mogą różnić się w ich obrocie.

Powyższe oznacza, konwencje korzystną osi (na przykład z kierunku, w kartezjańskim układzie współrzędnych), a także oznacza, że uprzywilejowany kierunek wzdłuż tej korzystnej osi. W przeciwnym razie nie byłoby sensu rozróżniania m = +1 od m = -1 . Jako taki model jest najbardziej użyteczna w zastosowaniu do układów fizycznych, które podzielają te symetrie. Sterna Gerlach Eksperyment - gdy atom działaniem pola magnetycznego - zawiera jeden taki przykład.

prawdziwe orbitale

Animacja stale zmieniających superpozycji pomiędzy a orbitali.

Atom, który jest wbudowany w postaci krystalicznej substancji stałej odczuwa wiele korzystnych osi, ale często nie ma preferowanego kierunku. Zamiast budować orbitali atomowych z urządzenia funkcji radialnych i jednym harmoniki sferyczne , liniowe kombinacje harmoniki sferyczne są zazwyczaj używane, zaprojektowany tak, że część urojona sferycznych harmonicznych znoszą się. Te prawdziwe orbitale są budulcem najczęściej pokazane wizualizacje orbitalnych.

W orbitali rzeczywistym wodór jak, na przykład, n i £ -l mają takie samo znaczenie jak interpretacja i ich złożone odpowiedniki, a m jest już dużą liczbę kwantowe (chociaż jego wartości bezwzględnej). Orbitale podano nowe nazwy na podstawie ich kształtu w odniesieniu do standaryzowanego kartezjańskiej podstawie. Rzeczywiste wodór jak p orbitale są podane w następujących

gdzie p 0 = R N  1 T 1 0 , P 1 = R N  1 T 1 1 i s -1 = R N  1 T 1 -1 są złożone orbitale odpowiadające £ -l = 1 .

Równania dla s x i s y orbitali zależą konwencji fazowej dla sferycznych harmonicznych. Powyższe równania przypuszczać, że harmoniki sferyczne są zdefiniowane . Jednak niektóre fizyków kwantowych zawierają czynnik fazy (1) m, w tym definicje, co ma wpływ na zależności pomiędzy p x orbitalnego do różnicy sferycznych harmonicznych i p r orbitalnej w odpowiedniej kwoty . (Aby uzyskać więcej szczegółów, patrz harmoniki sferyczne # konwencje ).

Kształty orbitali

Chmura przezroczysty widok obliczanymi 6s ( n = 6, = 0, m = 0), atom wodoru orbitalnej. Do S orbitale jednak sferycznie symetryczne, umieszczone są promieniowo węzły fal dla n > 1 . Tylko orbitale s niezmiennie mają środkową anty-węzeł; inne typy nigdy zrobić.

Proste zdjęcia pokazujące kształty orbitalne mają na celu opisanie kanciaste formy regionów w przestrzeni, w której elektrony zajmujące orbitalny jest prawdopodobne, aby znaleźć. Schematy nie przedstawiają cały obszar, w którym elektrony można znaleźć, ponieważ według mechaniki kwantowej nie jest różna od zera prawdopodobieństwo znalezienia elektronów (prawie) w dowolnym miejscu w przestrzeni. Zamiast schematy są przybliżone reprezentacje brzegowe lub konturu powierzchni , gdzie gęstość prawdopodobieństwa | ψ ( r , θ, φ) | 2 ma stałą wartość, wybiera się tak, że istnieje pewne prawdopodobieństwo (na przykład 90%) znalezienia elektronów wewnątrz konturu. choć | ψ | 2 jako kwadrat o wartości bezwzględnej wszędzie nieujemne, znak z funkcją fali * F ( R , θ, φ) często jest wskazane w każdy podsektor obrazu orbitalnej.

Czasami ψ funkcja zostanie na wykresie, aby pokazać swoje fazy, a nie | ψ ( r , θ, φ) | 2 , która przedstawia gęstość prawdopodobieństwa, ale nie ma fazy (które zostały utracone w procesie przy wartości bezwzględnej, ponieważ * F ( R , θ, φ) jest liczbą zespoloną). | ψ ( r , θ, φ) | 2 Wykresy orbitalne mają zwykle mniej kulistych, cieńsze niż płaty * F ( r , θ, N) wykresów, ale mają tę samą liczbę występów w tym samym miejscu, a poza tym są rozpoznawalne. Ten artykuł, w celu pokazania fazy funkcji fali wykazuje głównie ψ ( r , θ, N) wykresów.

Płaty można traktować jako fala stojąca zakłóceń wzorce pomiędzy dwa przeciwbieżne, pierścień rezonansowy o falim ” i „ - m ” trybach, z występem orbitalnego na płaszczyźnie xy o rezonansową „ m ” długości fal wokół obwodu , Chociaż rzadko przedstawiono Wędrujące rozwiązania falowe mogą być postrzegane jako obracanie naprzemienne torus, przy czym zespoły reprezentujące informację dotyczącą fazy. Dla każdego m są dwie stojące rozwiązania fali m ⟩ + ⟨- m i m ⟩-⟨- m . Dla przypadku, gdy m = 0 oczodołu jest pionowa, informacja wyważający jest znana, a orbitalne jest oś symetryczne. W przypadku, w którym = 0 nie ma licznik obraca tryby. Istnieją tylko tryby promieniowe i kształt jest sferycznie symetryczne. Dla danego N , tym mniejsza jest bardziej promieniowe węzły są. Luźno mówiąc brak jest energii analogiczny do mimośrodu , a m jest orientacji. W klasycznym przypadku, pierścień o fali rezonansowej, na przykład w postaci kołowej linii przesyłowej, chyba aktywnego zmuszony będzie spontanicznie w pierścień rezonansowy fali stojącej, ponieważ odbicia będą tworzyć się w czasie na nawet najmniejszą niedoskonałości lub nieciągłości.

Ogólnie rzecz biorąc, liczba N określa wielkość i energii orbitalnej dla danego jądra: jak n wzrasta, wielkość wzrasta orbitalnych. Przy porównywaniu różnych elementów, tym większa ładunek jądra Z cięższych elementów powoduje ich orbitali kontrakcja porównaniu lżejsze, tak, że całkowita wielkość całego atomu pozostaje z grubsza stała, nawet gdy liczba elektronów w cięższych pierwiastków (wyższa Z ) wzrasta.

Doświadczalnie obrazowane 1 S i 2 p orbitali rdzenia elektronowego SR, w tym efektów cieplnych i atomowych drgania wzbudzającego poszerzenie, pobranych od energii dyspersyjnej spektroskopii rentgenowskiej (EDX) w skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego (STEM).

Również w kategoriach ogólnych, determinuje kształt orbitalnej, a m jego orientacji. Ponieważ niektóre orbity opisane przez równania w liczbach zespolonych kształt często zależy m £ -l również. Razem cały zestaw orbitali w danym £ -l , a brak wypełnienia przestrzeni symetrycznie, jak to możliwe, choć bardziej złożone zestawy płatów węzłowych.

Poszczególne orbitale (S ) są w kształcie kulek. Dla n = 1 jest mniej więcej stałej kulki (to jest najbardziej gęsta w środku i zanika gwałtownie zewnętrznie), ale dla n = 2 lub więcej, każdy z pojedynczych s-orbital składa się z powierzchniami kulistymi symetrycznych, które są zagnieżdżone formy (tj „Falowym struktura” jest promieniowy wyniku sinusoidalnego składową promieniową a). Zobacz ilustrację przekroju tych zagnieżdżonych muszli, po prawej stronie. S-orbity dla wszystkich n liczb są jedynymi orbitale z przeciwciałem węzła (region o wysokiej fali funkcja gęstości) w środku jądra. Wszystkie inne orbitale (P, D, F, itd.) Mają moment pędu, a tym samym uniknąć jądro (zawierający węzeł fali w pierścieniu). Ostatnio nastąpił próba doświadczalnie obserwowany obraz 1 e i 2 p orbitials w SrTiO 3 kryształu za pomocą skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego z energią dyspersyjnej spektroskopii rentgenowskiej. Ponieważ obrazu przeprowadzono za pomocą wiązki elektronów, kulombowskiego wiązki orbitalnej interakcja jest często określany jako skutku oddziaływania parametrów jest w końcowym wyniku (patrz rysunek po prawej stronie).

Kształty P, D i F-orbitali opisane słownie tu i przedstawiono graficznie w tabeli orbitali poniżej. Trzy sygnały P-orbity dla n = 2 ma postać dwóch elipsoid o punkcie styczności w jądrze (dwu-wypukłościach jest czasami określany jako „ hantle ” -nie dwa płaty są skierowane w przeciwnych kierunkach, od siebie, ). Trzy sygnały P-orbitali w każdej skorupy są zorientowane pod kątem prostym do siebie nawzajem, jak określono przez ich kombinacji liniowej wartości  m £ -l . Ogólny wynik jest płat wskazując wzdłuż każdego kierunku głównych osiach.

Cztery z pięciu d-orbitali dla n = 3 są podobne, każdy z czterech płatów w kształcie gruszki, każdy płat stycznej pod kątem prostym do dwóch pozostałych, i centrami wszystkich czterech leżących w jednej płaszczyźnie. Trzy z tych płaszczyzn są xy-, xz- i YZ samoloty-płaty są między osiami par podstawowych-i czwartym posiada centra wzdłuż osi x i y siebie. W piątym i końcowe d orbitalnej składa się z trzech obszarów o dużej gęstości prawdopodobieństwa: a torusa z dwóch obszarów o kształcie gruszki umieszczone symetrycznie na osi z. Całkowita suma 18 kierunkowe Koniuszek wskazywać w każdym kierunku osi pierwotnej i pomiędzy każdą parą.

Istnieje siedem F orbitale, każdy z kształtów bardziej złożonych niż D-orbitali.

Dodatkowo, tak jak w przypadku z S orbitali, indywidualne P, D, F i G orbitali z N wartości wyższej od najniższej możliwej wartości, wykazują dodatkową promieniową strukturę węzła przypominająca fal harmonicznych tego samego typu, w porównaniu z tryb najniższy (lub podstawową) fali. Jak z S orbitali zjawisko zapewnia p, D, F i G orbitali w następnym wyższym możliwej wartości n (na przykład 3P orbitali w porównaniu z podstawową 2P), dodatkowy węzeł na każdym płacie. Jeszcze wyższe wartości n dalszego zwiększenia liczby węzłów promieniowych dla każdego typu orbitalnej.

Kształty orbitali atomowych na jednym atomem elektronów są związane z 3-wymiarowych sferycznych harmonicznych . Takie kształty nie są wyjątkowe, a kombinacja liniowa jest ważny, jak przekształceń harmonicznych sześciennych , w rzeczywistości nie jest możliwe wytworzenie zestawu, gdzie wszystkie d'y mają taki sam kształt, jak w p x , p y , i P oo są taki sam kształt.

1S, 2S, i 2p orbitale atomu sodu.

Przy czym poszczególne orbitale najczęściej pokazano niezależnie od siebie, orbitale współistnieć wokół jądra w tym samym czasie. Ponadto, w roku 1927, Albrecht Unsöld okazało się, że jeśli sumuje gęstości elektronowej wszystkich orbitali danego azymutalny liczbą kwantową £ -l o tej samej powłoki n (na przykład trzech 2p orbitali lub pięciu orbitali 3d), w którym każdy orbitalnej jest zajęta przez elektronów lub każdy jest zajęta przez parę elektronów, a następnie wszystkie kątową zależność zanika; to znaczy, że w ten sposób całkowita gęstość wszystkich orbitali atomowych w tym podpowłokę (pochodzących z tego samego £ -l ) ma kształt kulisty. Jest to znane jako twierdzenie niesprzedanych użytkownika .

orbitale stół

Ta tabela pokazuje wszystkie konfiguracje orbitalne rzeczywistych funkcji fali wodoru jak aż do 7S, a zatem obejmuje proste konfiguracji elektronowej dla wszystkich elementów w okresowej tablicy do rad . „* F” wykresy pokazane - i + funkcji fali etapy przedstawione w dwóch różnych kolorach (arbitralnie czerwony, niebieski). P oo orbitalny są takie same jak w p 0 orbitalnych, ale s x i s y są utworzone poprzez kombinację liniową p +1 i p -1 orbitali (dlatego są one podane w ramach m = ± 1 etykieta ). Ponadto, s + 1 , a p -1 nie jest taki sam kształt jak p 0 , ponieważ są one czyste sferycznych harmonicznych .

S ( = 0 ) P ( = 1 ) D ( = 2 ) F ( = 3 )
m = 0 m = 0 m = ± 1 m = 0 m = ± 1 m = ± 2 m = 0 m = ± 1 m = ± 2 m = ± 3
s p oo p x P r d z 2 d xz d yz d xy d x 2 -y 2 f oo 3 f XZ 2 f YZ 2 f XYZ f oo (x 2 -y 2 ) f x (x 2 -3y 2 ) F y (3x 2 -y 2 )
n = 1 S1M0.png
n = 2 S2M0.png P2M0.png px orbital.png Py orbital.png
n = 3 S3M0.png P3M0.png P3x.png P3y.png D3M0.png DXZ orbital.png dyz orbital.png dxy orbital.png DX2-y2 orbital.png
n = 4 S4M0.png P4M0.png P4x.png P4y.png D4M0.png D4xz.png D4yz2.png D4xy.png D4x2-y2.png F4M0.png Fxz2 orbital.png Fyz2 orbital.png Fxyz orbital.png FZ (x2-y2) orbital.png FX (x2-3y2) orbital.png Fy (3x2-y2) orbital.png
n = 5 S5M0.png P5M0.png P5x.png P5y.png D5M0.png D5xz.png D5yz.png D5xy.png D5x2-y2.png , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
n = 6 S6M0.png P6M0.png P6x.png P6y.png , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
n = 7 S7M0.png , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

Jakościowa zrozumienie kształtów

Kształty orbitali atomowych można jakościowo zrozumiałe za analogiczny przypadku fal stojących na okrągłym bębnem . Aby zapoznać się analogicznie średnią drgań przemieszczenie każdego kawałka membrany bębna od punktu równowagi, w ciągu wielu cykli (pomiar średniej szybkości membrany bębna i pędu w tym miejscu) powinny być uważane za względne odległości danego punktu w środku bębna głowa. Jeśli przesunięcie to jest brane jako analogiczną do prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w danej odległości od jądra, to będzie można zobaczyć, że w wielu rodzajach drgających wzorami kształcie tarczy, śledzące różne kształty orbitali atomowych. Podstawowym powodem tej korespondencji jest fakt, że dystrybucja energii kinetycznej i pędu w materii-Wave jest predykcyjna gdzie cząstka związana z falą będzie. Oznacza to, że prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym miejscu jest również funkcją średniego pędu elektronu w tym punkcie, ponieważ wysoki pęd elektronu w danej pozycji ma tendencję do „zlokalizować” elektronu w tej pozycji, za pośrednictwem właściwości elektronu pakiety fali (patrz zasada nieoznaczoności Heisenberga szczegóły mechanizmu).

Zależność ta oznacza, że pewne kluczowe cechy można zaobserwować w obu trybach membranowych bębnowych i orbitali atomowych. Na przykład, w każdym z trybów analogicznymi do s  orbitali (górny rząd na rysunku animowanym poniżej), to można zauważyć, że sam środek membrany bębna drgania w największym stopniu, co odpowiada wybrzuszeniu w sumie s  orbitali atomu , Ten wybrzuszeniu oznacza elektronów jest najbardziej prawdopodobne w fizycznym położeniu pierścienia (który przechodzi wprost przez bez rozpraszania lub wciąga go), ponieważ porusza się ona (średnio) najszybciej w tym miejscu, co daje maksymalną tempa.

Mentalny „planetarny orbita” obraz najbliżej zachowania elektronów w s  orbitali, z których wszystkie mają żadnego pędu, może być może być taka, jak Keplerian orbicie z ekscentryczność 1, ale skończonej osi głównej, a nie fizycznie możliwe (bo cząstki były zderzają), lecz można sobie wyobrazić jako ograniczenie orbit z równych osi głównych, lecz rosnącej mimośrodowości.

Poniżej przedstawiono kilka trybów drgań membranowe bębna i odpowiednich funkcji fali atomu wodoru. Zbieżności może być uznane, w których funkcje fali wibracyjnej głowicy bębnie są dla dwóch współrzędnych systemu * F ( R , θ) i funkcji falowych dla drgającego dziedzinie są trzy współrzędnych * F ( R , θ, φ) .

Żaden z innych zestawów trybów w membranę bębna posiada centralnego wybrzuszeniu, a w każdym z nich w centrum bębna nie rusza. Odpowiadają one węzła w jądrze dla wszystkich nie- s orbitali atomu. Te wszystkie orbitale jakiś moment pędu, aw modelu planetarnym, odpowiadają one cząstek na orbicie z ekscentryczności mniej niż 1,0, tak że nie przechodzą prosto przez centrum głównego korpusu, ale zachować nieco z dala od niego.

Ponadto, sposoby analogiczne do bębnów s i d trybami atom wykazują nieprawidłowość przestrzenne wzdłuż różnych kierunków promieniowych od środka bębna, podczas gdy wszystkie ze sposobów analogicznych do s  sposobów doskonale symetryczny w kierunku promieniowym. Nieokreślone własności promieniowy symetrii nie- s orbitali są niezbędne do zlokalizowania cząstki z pędu i charakter fal w orbitalnej którego musi raczej z dala od centralnej siła przyciągania, ponieważ każda cząstka zlokalizowana w centralnym punkcie przyciągania może mieć żadnego pędu. Dla tych trybów, fale w głowicy bębna unikają punkt centralny. Takie cechy ponownie podkreślić, że kształty orbitali atomowych są bezpośrednią konsekwencją falowej natury elektronów.

energia orbitalna

W węgla z jednym elektronem ( atomy wodoru podobne ), energia orbitalnej (i w związku z tym żadnych elektronów w orbitalnej) określa się przede wszystkim . Orbital najniższa energii w atomu. Każdy kolejno zwiększających wartość ma wyższy poziom energii, ale różnica zmniejsza się, wzrasta. Dla wysokiego , poziom energii staje się tak duża, że elektrony mogą łatwo wydostać się z atomu. W pojedynczych atomów elektronów, wszystkie poziomy z różnymi ramach danego są zdegenerowane w przybliżeniu Schrödingera, i mają tę samą energię. Przybliżenie dzieli się w niewielkim stopniu w roztworze z równaniem Diraca (gdzie energii zależy od n i milowy liczba j ) i pod wpływem pola magnetycznego jądra i Electrodynamics kwantowe efektów. Ten ostatni wywoływać niewielkie różnice energii wiązania, zwłaszcza dla s  elektronów, które go bliżej pierścienia, ponieważ czują się one bardzo nieznacznie inny ładunek jądra, nawet w atomów jednoelektronowe; zobacz przesunięcie Lamb .

W węgla z wielu elektronów, energia elektronu zależy nie tylko od jej nieodłącznych właściwości orbitalnej, ale także na jej oddziaływania z innymi elektronów. Oddziaływania te zależą szczegółowo jej przestrzennego rozkładu prawdopodobieństwa, a więc poziom energii orbitali zależą nie tylko , ale również . Wyższe wartości wiąże się z wyższymi wartościami energii; Na przykład, stan 2p jest większa niż stan 2s. Gdy wzrost energii orbitalnej staje się tak duże, aby przesunąć się energię orbitalnej powyżej energii S orbitalnych do wyższej zbiornika; kiedy energia jest wepchnięta do muszli dwa stopnie wyższa. Nadzienie z orbitali 3d nie występuje dopóki orbitale 4s zostały wypełnione.

Zwiększenie energii do podpowłok zwiększenia pędu większych węgla ze względu na efekty oddziaływań elektronów elektronów i jest związane w szczególności z możliwością niskich kątowych elektronów pędu bardziej skutecznie wnikają w kierunku do jądra, gdzie są one poddawane mniejszym przesiewowych od ładunku z atomami elektronów. Tak więc, w atomach o wyższej liczbie atomowej The elektronów staje się coraz bardziej czynnikiem warunkującym ich energii, a główna liczba kwantowa elektronów staje się coraz mniej istotne w ich rozmieszczenie energii.

Sekwencja energii pierwszych 35 podpowłok (na przykład, 1 s, 2P, 3d, itp) jest podany w poniższej tabeli. Każda komórka oznacza podpowłoce się i podaje jej rzędów i kolumn indeksów, odpowiednio. Liczba w komórce jest stanowisko podpowłoki w sekwencji. Dla liniowego notowania podpowłok w zakresie zwiększenia energii w wieloelektronowego węgla, patrz poniższa sekcja.

s p re fa sol h
1 1
2 2 3
3 4 5 7
4 6 8 10 13
5 9 11 14 17 21
6 12 15 18 22 26 31
7 16 19 23 27 32 37
8 20 24 28 33 38 44
9 25 29 34 39 45 51
10 30 35 40 46 52 59

Uwaga: puste komórki wskazują nieistniejące podpoziomów, natomiast numery kursywą wskazują, że może podpoziomów (potencjalnie) istnieją, ale które nie posiadają elektrony w każdym elemencie obecnie znane.

rozmieszczenie elektronów i układu okresowego pierwiastków

Elektronów atomowe i cząsteczkowe orbitali. Wykres orbitali ( lewy ) jest umieszczony poprzez zwiększenie energii (patrz przepis Madelunga ). Należy zauważyć, że orbity atomowych funkcje trzech zmiennych (dwa kąty, i odległości  r od jądra). Te obrazy są wierne kątowego składnikiem orbitalny, ale nie do końca reprezentatywne orbitalny jako całości.
orbitale atomowe i okresowych konstrukcja stół

Kilka przepisy regulują rozmieszczenie elektronów orbitali ( konfiguracja elektronowa ). Pierwszy mówi, że żadne dwa elektronów w atomie mogą mieć te same wartości liczb kwantowych (jest to zasada wyłączenie Pauli ). Te numery kwantowych zawierają trzy wyznaczające orbitali, jak S lub zakręcić liczbę kwantową . Tak więc, dwa elektrony mogą zajmować jeden orbitalnej, o ile mają one różnych wartości  s . Jednak tylko dwa elektrony, ze względu na ich spinu, może być związane ze sobą orbitalne.

Ponadto elektrony mają tendencję do zmniejszania zawsze do możliwie najniższego stanu energetycznego. Możliwe jest, że do zajmowania dowolnego orbitalny tak długo, jak nie narusza zakaz Pauliego, ale jeśli orbitale niższej energii są dostępne, to stan jest niestabilny. Elektronów w końcu tracić energii (zwalniając fotonów ) i spadają do dolnej orbitalnej. Tak więc, elektrony wypełnienia orbitali w kolejności określonej sekwencją energii określonej powyżej.

Takie zachowanie jest odpowiedzialny za struktury okresowym . Stół może być podzielony na kilka rzędów (zwane „okresy”), numerowane od 1 u góry. Obecnie znane elementy zajmują siedem okresów. Jeśli pewien okres ma numer ı , składa się z elementów, których zewnętrzna elektronów wchodzą w I th powłoki. Niels Bohra jako pierwszy zaproponować (1923), że częstotliwość we właściwościach elementów może być wyjaśnione przez okresowe napełnianie poziomów energetycznych elektronów, w wyniku budowy elektronowej atomu.

Układu okresowego pierwiastków może być również podzielona na kilka numerach prostokątnych „ bloki ”. Pierwiastków należących do danego bloku mają tę wspólną cechę: elektronowej najwyższej energii wszystkie należą do tego samego £ -l -state (ale brak związany z tym £ -l -state zależy od okresu). Na przykład, lewostronne dwie kolumny stanowią „s-blok”. Najbardziej zewnętrzne elektrony Li i Be odpowiednio należą do 2s podpowłoce, a te z Na i Mg do 3s podpowłoki.

Poniżej znajduje się zamówienie na wypełnienie „podpowłoki” orbitale, które również daje rozkaz z „klocków” w układzie okresowym:

1 S, 2S, 2p, 3S, 3p, 4S, 3d, 4p, 5S, 4d, 5p, 6S, 4f, 5d, 6p, 7S, 5f, 6d, 7p

Przycisków „okresowy” charakter nadzienia orbitali, jak również pojawienie się y , t , d i f „bloku” jest bardziej widoczne, jeśli to kolejność napełniania znajduje się w postaci matrycy, z rosnącym główne liczby kwantowe rozpoczynając nowy wiersze ( „okresy”) w odniesieniu do matrycy. Następnie każdy podpowłoką (złożony z dwóch pierwszych liczb kwantowych) powtarza się tyle razy, ile wymaga dla każdej pary elektronów może zawierać. Wynikiem jest sprężony okresowego pierwiastków, z każdej pozycji reprezentującej dwóch następujących elementów:

1s
2s                                                  2p  2p  2p
3s                                                  3p  3p  3p
4s                              3d  3d  3d  3d  3d  4p  4p  4p
5s                              4d  4d  4d  4d  4d  5p  5p  5p
6s  4f  4f  4f  4f  4f  4f  4f  5d  5d  5d  5d  5d  6p  6p  6p
7s  5f  5f  5f  5f  5f  5f  5f  6d  6d  6d  6d  6d  7p  7p  7p

Mimo to ogólna kolejność napełniania orbitalnej zgodnie z zasadą Madelunga istnieją wyjątki, a rzeczywiste energie elektroniczne każdego elementu są również uzależnione od dodatkowych szczegółów atomów (patrz Electron konfiguracja # węgla: zasada Aufbau i zasada Madelunga ).

Liczba elektronów w atomie obojętnego wzrasta wraz z liczbą atomową . Elektrony najbardziej zewnętrznej skorupy lub elektronów walencyjnych , wydają się być odpowiedzialny za zachowanie chemicznej elementu. Elementy, które zawierają taką samą ilość elektronów wartościowości mogą być grupowane i wykazują podobne właściwości chemiczne.

Efekty relatywistyczne

W przypadku elementów o wysokiej liczbie atomowej Z. skutki wzgl stają się bardziej wyraźne, a szczególnie dla S elektronów, które poruszają się relatywistycznymi prędkościami, ponieważ wnikają one elektrony przesiewowych w pobliżu rdzenia wysokiej Z węgla. Ten Relatywistyczna wzrost tempa elektronów wysokiej prędkości powoduje odpowiednie zmniejszenie długości fali i kurczenie 6s orbitali w stosunku do 5D orbitali (w porównaniu z odpowiadającymi im S i D elektrony lekkich elementów w tej samej kolumny układu okresowego pierwiastków); prowadzi to 6s elektronów walencyjnych staje obniżony energii.

Przykładami fizycznych znaczących efektów w tym celu zawierać obniżone temperatury topnienia rtęci (co wynika z 6S elektrony nie są dostępne dla wiązania metali) i złoty kolor złota i cezu .

W Bohra modelu , a n = 1  elektronów ma prędkość danych przez , gdzie Z jest liczba atomowa jest stała struktury subtelnej i c jest prędkością światła. W nierelatywistyczną mechaniki kwantowej zatem dowolny atom węgla o liczbie atomowej większej niż 137 wymagałoby jego 1S elektrony się z prędkością większą niż prędkość światła. Nawet w równaniu Diraca , który odpowiada za efekty relatywistycznymi funkcja fali elektronów węgla z Z > 137 oscyluje i nieograniczona . Znaczenie elementu 137, znany również jako untriseptium , został po raz pierwszy podkreślił fizyk Richard Feynman . Element 137 jest czasami nieformalnie zwany feynmanium (symbol Fy). Jednak aproksymacja Feynman nie do przewidzenia dokładną wartość krytyczną  Z powodu charakteru punkt ładunek jądra i bardzo małym promieniu orbitalnej wewnętrznych elektronów, w wyniku czego możliwości postrzegane przez wewnętrzne elektronów, które jest skutecznie poniżej Z . Krytycznym Z  wartość, która powoduje, że atom niestabilny ze względu na rozkład pola wysokiej próżni i wytwarzania par elektron-pozytronów nie występuje dopóki Z wynosi około 173. Te warunki nie są widoczne z wyjątkiem przejściowo w kolizji bardzo dużych jądrach tych jak ołów lub uranu w przyspieszacze, gdzie zostało zgłoszone produkcja taka elektronów pozytronowej z tych efektów, których należy przestrzegać. Zobacz Rozbudowa układu okresowego poza siódmego okresu .

Brak węzły relatywistycznymi gęstości orbitalnych, ale poszczególne składniki funkcji fala ma węzły.

Przejścia między orbitali

Stany związane kwantowe mają dyskretne poziomy energetyczne. Kiedy stosuje się orbitali atomowych, oznacza to, że różnice energii między państwami są również dyskretny. Przejście od tych stanów (tj elektronów absorbujący lub emitujące fotonu) może więc tylko wtedy, gdy foton ma energię odpowiadającą dokładnie różnicy energii pomiędzy wspomnianych stanów.

Rozważmy dwa stany atom wodoru:

Stan 1), n = 1 , £ -l = 0 , m = 0 i y = + 1 / 2

Stan 2) n = 2 , £ -l = 0 , m = 0 i y = + 1 / 2

Teorią kwantowej stan 1 ma stałą energię E 1 i stan 2 ma stałą energię E 2 . Teraz, co by się stało, gdyby elektron w stanie 1 było przenieść do stanu 2? Aby tak się stało, elektron musiałby zyskać energię dokładnie E 2 - E 1 . Jeżeli elektronów odbiera energię, która jest mniejsza lub większa niż ta wartość, że nie może przejść ze stanu 1 do stanu 2. Teraz przyjmijmy, że napromienianie atom z szerokim spektrum światła. Fotonami, które docierają atom które posiadają energię dokładnie E 2 - e 1 będą absorbowane przez elektronu w stan 1, a elektronów przejdzie do stanu 2. Jednakże fotonami, które są większe lub mniejsze energii nie mogą być wchłaniane przez elektron, gdyż elektron może przeskoczyć tylko do jednego z orbitali, nie może przejść do stanu pomiędzy orbitali. Powoduje to, że tylko fotony o określonej częstotliwości, będzie absorbowany przez atom. Stwarza linii w widmie, zwaną linię absorpcji, co odpowiada różnicy energii pomiędzy Zjednoczone 1 i 2.

Model Orbital przewiduje zatem linia widma, które zostały zaobserwowane doświadczalnie. Jest to jeden z głównych walidacji modelu Orbital.

Model Orbital jest jednak przybliżenie do pełnej teorii kwantowej, która tylko rozpoznaje wiele stanów elektronowych. Przewidywania widm linii jakościowo są przydatne, ale nie ilościowo dokładne dla atomów i jonów innych niż te, które zawierają tylko jeden elektron.

Zobacz też

Referencje

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne