Атомная орбиталь

Атомная орбиталь в одноэлектронная волновая функция, полученная решением уравнения Шрёдингера для данного атома, задается главным n, орбитальным l и магнитным m квантовыми числами.

Волновая функция рассчитывается по волновому уравнению Шрёдингера в рамках одноэлектронного приближения (метод Хартри - Фока) как волновая функция электрона, находящегося в самосогласованном поле, создаваемым ядром атома со всеми остальными электронами атома.

Сам Э.Шрёдингер рассматривал электрон в атоме как отрицательно заряженное облако, плотность которого пропорциональна квадрату значения волновой функции в соответствующей точке атома. В таком виде понятие электронного облака было воспринято и в теоретической химии.

Однако большинство физиков не разделяли убеждений Э.Шрёдингера - доказательства существования электрона как "отрицательно заряженного облака" не было. Макс Борн обосновал вероятностную трактовку квадрата волновой функции. В 1950г. Э.Шрёдингер в статье "Что такое элементарная частица?" вынужден согласиться с доводами М.Борна, которому в 1954 году присуждена Нобелевская премия по физике с формулировкой "За фундаментальное исследование в области квантовой механики, особенно за статистическую интерпретацию волновой функции".

Название «орбиталь» (а не орбита) отражает геометрическое представление о стационарных состояниях электрона в атоме; такое особое название отражает тот факт, что состояния электрона в атоме описывается законами квантовой механики и отличается от классического движения по траектории. Совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа n составляют одну электронную оболочку.

Квантовые числа и номенклатура орбиталей

Радиальное распределение плотности вероятности для атомных орбиталей при различных n и l.

• Главное квантовое число n может принимать любые целые положительные значения, начиная с единицы (n = 1,2,3, в в€) и определяет общую энергию электрона на данной орбитали (энергетический уровень) :

$E= - \frac{ m e^4}{n^2 {\hbar ^2}}$

Энергия для n = в€ соответствует энергии одноэлектронной ионизации для данного энергетического уровня.

• Орбитальное квантовое число (называемое также азимутальным или дополнительным квантовым числом) определяет момент импульса электрона и может принимать целые значения от 0 до n в 1 (l = 0,1, в, n в 1). Момент импульса при этом задаётся соотношением

$p = \hbar \sqrt{l(l+1)}$

Атомные орбитали принято называть по буквенному обозначению их орбитального числа:

Значение орбитального квантового числа	0	1	2	3	4
Буквенное обозначение	s	p	d	f	g

Буквенные обозначения атомных орбиталей произошли от описания спектральных линий в атомных спектрах: s (sharp) в резкая серия в атомных спектрах, p (principal)в главная, d (diffuse) в диффузная, f (fundamental) в фундаментальная.

• Магнитное квантовое число m_l определяет проекцию орбитального момента импульса на направление магнитного поля и может принимать целые значения в диапазоне от -l до l, включая 0 (m_l = -l в 0 в l):

$M_z = \hbar m_l$

В литературе орбитали обозначают комбинацией квантовых чисел, при этом главное квантовое число обозначают цифрой, орбитальное квантовое число в соответствующей буквой (см. таблицу ниже) и магнитное квантовое число в выражением в нижнем индексе, показывающем проекцию орбитали на декартовы оси x, y, z, например 2p_x, 3d_xy, 4f_z(x²-y²). Для орбиталей внешней электронной оболочки, то есть в случае описания валентных электронов, главное квантовое число в записи орбитали, как правило, опускают.

Геометрическое представление

Геометрическое представление атомной орбитали в область пространства, ограниченная поверхностью равной плотности (эквиденситной поверхностью) вероятности или заряда. Плотность вероятности на граничной поверхности выбирают исходя из решаемой задачи, но, обычно, таким образом, чтобы вероятность нахождения электрона в ограниченной области лежала в диапазоне значений 0,9-0,99.

Поскольку энергия электрона определяется кулоновским взаимодействием и, следовательно, расстоянием от ядра, то главное квантовое число n задаёт размер орбитали.

Форма и симметрия орбитали задаются орбитальными квантовыми числами l и m: s-орбитали являются сферически симметричными, p, d и f-орбитали имеют более сложную форму, определяемую угловыми частями волновой функции в угловыми функциями. Угловые функции Y_lm (φ , θ) в собственные функции оператора квадрата углового момента L², зависящие от квантовых чисел l и m, являются комплексными и описывают в сферических координатах (φ , θ) угловую зависимость вероятности нахождения электрона в центральном поле атома. Линейная комбинация этих функций определяет положение орбиталей относительно декартовых осей координат.

Для линейных комбинаций Y_lm приняты следующие обозначения:

Значение орбитального квантового числа	0	1	1	1	2	2	2	2	2
Значение магнитного квантового числа	0	0	$\pm 1$	$\pm 1$	0	$\pm 1$	$\pm 1$	$\pm 2$	$\pm 2$
Линейная комбинация	$-$	$-$	${{1 \over {i\sqrt 2 }}(Y_{11} - Y_{1 - 1} )}$	${{1 \over {\sqrt 2 }}(Y_{11} + Y_{1 - 1} )}$	$-$	${{1 \over {\sqrt 2 }}(Y_{21} + Y_{2 - 1} )}$	${{1 \over {i\sqrt 2 }}(Y_{21} - Y_{2 - 1} )}$	${{1 \over {\sqrt 2 }}(Y_{22} + Y_{2 - 2} )}$	${{1 \over {i\sqrt 2 }}(Y_{22} - Y_{2 - 2} )}$
Обозначение	$\! s$	$\!p_z$	$\!p_y$	$\!p_x$	$\!d_{z^2}$	$\!d_{xz}$	$\!d_{yz}$	$\!d_{x^2 - y^2 }$	$\!d_{xy}$

Дополнительным фактором, иногда учитываемым в геометрическом представлении, является знак волновой функции (фаза). Этот фактор существеннен для орбиталей с орбитальным квантовым числом l, отличным от нуля, то есть не обладающих сферической симметрией: знак волновой функции их «лепестков», лежащих по разные стороны узловой плоскости, противоположен. Знак волновой функции учитывается в методе молекулярных орбиталей МО ЛКАО (молекулярные орбитали как линейная комбинация атомных орбиталей).

Заполнение орбиталей электронами и электронная конфигурация атома

На каждой орбитали может быть не более двух электронов, отличающихся значением спинового квантового числа s (спина). Этот запрет определён принципом Паули. Порядок заполнения электронами орбиталей одного уровня (орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа n) определяется правилом Клечковского, порядок заполнения электронами орбиталей в пределах одного подуровня (орбиталей с одинаковыми значениями главного квантового числа n и орбитального квантового числа l) определяется Правилом Хунда.

Краткую запись распределения электронов в атоме по различным электронным оболочкам атома с учётом их главного и орбитального квантовых чисел n и l называют электронной конфигурацией атома.

См. также

• Квантовые числа
• Строение атома

Ссылки

• The Orbitron: a gallery of atomic orbitals and molecular orbitals on the WWW
• Atomic Orbitals Viewer
• Atom Orbitals v.1.5 by Тарас Заведий