תוֹכֶן
האטומים מורכבים מגרעין כבד המוקף אלקטרונים קלים. התנהגות האלקטרונים נשלטת על ידי כללי מכניקת הקוונטים. כללים אלה מאפשרים לאלקטרונים לתפוס אזורים ספציפיים הנקראים אורביטלים. יחסי הגומלין של האטומים הם כמעט אך ורק דרך האלקטרונים החיצוניים ביותר שלהם, ולכן צורתם של אותם אורביטלים הופכת חשובה מאוד. לדוגמא, כאשר אטומים מובאים אחד ליד השני, אם האורביטלים החיצוניים ביותר שלהם חופפים הם יכולים ליצור קשר כימי חזק; כך שקצת ידע על צורת האורביטלים חשוב להבנת האינטראקציות האטומיות.
מספרים קוונטיים ואורביטלים
פיסיקאים מצאו כי נוח להשתמש בקצרים לתיאור מאפייני האלקטרונים באטום. השורטורט הוא מבחינת מספרים קוונטיים; המספרים האלה יכולים להיות רק מספרים שלמים ולא שברים. המספר הקוונטי העיקרי, n, קשור לאנרגיה של האלקטרון; יש את המספר הקוונטי מסלול, l, ואת המספר הקוונטי של המומנטום הזוויתי, m. ישנם מספרים קוונטיים אחרים, אך הם אינם קשורים ישירות לצורת האורביטלים. אורביטלים אינם מסלולים, במובן זה שהם נתיבים סביב הגרעין; במקום זאת, הם מייצגים את המיקומים שבהם האלקטרון נמצא ככל הנראה.
S אורביטלים
לכל ערך של n, יש מסלול אחד בו גם l וגם m שווים לאפס. האורביטלים האלה הם תחומים. ככל שהערך של n גבוה יותר, כך הכדור גדול יותר - כלומר, הסבירות גבוהה יותר לכך שהאלקטרון יימצא רחוק יותר מהגרעין. התחומים אינם צפופים באותה מידה; הם דומים יותר לקליפות קינון. מסיבות היסטוריות, זה נקרא מסלול s. בגלל כללי מכניקת הקוונטים, האלקטרונים האנרגטיים הנמוכים ביותר, עם n = 1, חייבים להיות גם l וגם m שווה לאפס, כך שהמסלול היחיד שקיים עבור n = 1 הוא מסלול ה- s. מסלול ה- s קיים גם עבור כל ערך אחר של n.
P אורביטלים
כאשר n גדול מאחד, נפתחות אפשרויות נוספות. L, המספר הקוונטי מסלולי, יכול להיות בעל ערך כלשהו עד ל- n-1. כאשר אני שווה לאחד, המסלול נקרא אורביטל p. אורביטלים P נראים כמו משקולות. עבור כל l, m עובר מ חיובי ל- l בשלבים של אחד. לכן, עבור n = 2, l = 1, m יכול להיות שווה ל 1, 0 או -1. פירוש הדבר שיש שלוש גרסאות של המסלול p: האחת עם המשקולת למעלה ולמטה, אחרת עם המשקולת משמאל לימין, ואחרת עם המשקולת בזווית ישרה לשני האחרים. אורביטלים P קיימים עבור כל המספרים הקוונטים העיקריים הגדולים מאחד, למרות שיש להם מבנה נוסף ככל ש- n עולה.
D אורביטלים
כאשר n = 3, אז אני יכול להיות שווה ל 2, וכש- l = 2, m יכול להיות שווה ל 2, 1, 0, -1 ו- -2. L = 2 האורביטלים נקראים d אורביטלים, ויש חמישה ערכים שונים התואמים לערכים השונים של m. ה- n = 3, l = 2, m = 0 מסלול נראה גם כמו משקולת משקולות, אבל עם סופגנייה סביב האמצע. ארבעת האורביטלים האחרים נראים כמו ארבע ביצים מוערמות בקצה בתבנית מרובעת. הגרסאות השונות פשוט מכילות את הביצים לכיוונים שונים.
F אורביטלים
N = 4, l = 3 אורביטלים נקראים f orbitals וקשה לתאר אותם. יש להם תכונות מורכבות מרובות. לדוגמה, n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; ו- m = -1 אורביטלים שוב מעוצבים כמו משקולות, אך כעת עם שני סופגניות בין קצות המשקולת. ערכי ה- m האחרים נראים כמו צרור של שמונה בלונים, כשכל הקשר שלהם קשורים זה לזה במרכז.
ויזואליזציות
המתמטיקה המסדירה את האורביטלים האלקטרוניים היא די מורכבת, אך ישנם מקורות מקוונים רבים המספקים מימוש גרפי של האורביטלים השונים. כלים אלה מועילים מאוד בהמחשת התנהגותם של אלקטרונים סביב אטומים.