Atomska orbitala predstavlja deo prostora u atomu gde je najveća verovatnoća nalaženja elektrona.[1] Pritom, elektron se zamišlja kao oblak negativnog naelektrisanja različite gustine i na osnovu toga se može konstatovati njegovo prisustvo. Veličina ovog prostora zavisi od samog elektrona ali se on najčešće zadržava u blizini atomskog jezgra.[2]

Oblici prvih pet atomskih orbitala: 1s, 2s, 2px, 2py, i 2pz. Boje ukazuju na fazu talasne funkcije. Ovo su grafici ψ funkcija.
Atomska orbitala atoma vodonika

Postoje s, p, d i f-orbitala. Svaki s- podnivo sadrži jednu s-orbitalu, svaki p-podnivo sadrži tri p- orbitale, d-podnivo sadrži pet d- orbitala, a svaki f-podnivo sadrži sedam f-orbitala. U svakoj orbitali staje po dva elektrona, tako da na osnovu atomskog broja lako možemo odrediti raspored elektrona po orbitalama. Na primer: Mg-magnezijum-redni broj mu je 12, što je jednako broju protona kao i elektrona (svaki atom je elektroneutralan u osnovnom stanju). Dakle uređenost njegovih orbitala izgleda: [3][4]

Svojstva elektrona uredi

Sa razvojem kvantne mehanike i eksperimentalnih nalaza (kao što je dvoprorezna difrakcija elektrona), utvrđeno je da se u orbiti elektroni oko jezgra ne mogu u potpunosti opisati kao čestice, ali je potrebno objasniti dvojnost talasne čestice. U tom smislu, elektroni imaju sledeće osobine.

Talasna svojstva:

  1. Elektroni ne kruže oko jezgra kao planeta oko Sunca, već postoje kao stojeći talasi. Najmanja moguća energija elektrona može se stoga uzeti kao analog fundamentalnoj frekvenciji talasa na žici. Viša stanja energije su onda slična harmonicima fundamentalne frekvencije.
  2. Elektroni nikada nisu u jednoj tački lokacije, iako se verovatnoća interakcije s elektronom u jednom trenutku može proceniti iz talasne funkcije elektrona.

Svojstva koja liče na čestice:

  1. Oko jezgra uvek kruži celi broj elektrona.
  2. Elektronski skok između orbitala se odvija u česticama sličnom obliku. Na primer, ako je jedan foton udari u elektron, javlja se samo jedna elektronska promena, u odgovoru na foton.
  3. Elektroni zadržavaju svojstva slična česticama, kao što su: svaka stupanj talasa ima isti električni naboj kao elektronska čestica. Svaki od njih ima jedan diskretan spin (gore ili dolje).

Stoga, bez obzira na očiglednu analogiju sa okretanjem planeta oko Sunca, elektroni se ne mogu opisati samo kao čvrste čestice. Pored toga, atomske orbitale u običnim atoma ne liče na elipsoidne putanje planeta. Tačnija analogija može biti da se velika i često čudno oblikovana „atmosfera” (elektrona), distribuira oko relativno male planete (atomskog jezgra). Atomske orbitale tačno opisuju oblik ove „atmosfere” samo kada je prisutan elektron jednog atoma. Kada se više elektrona pridoda na jedan atom, dodatni elektroni imaju tendenciju da ravnomernije popune prostor oko jezgra, a rezultat je njihovo prikupljanje (ponekad nazivano „elektronski oblak” ); ono teži ka generalno sfernoj zoni verovatnoće, opisujući gde će se naći elektron atoma.

Formalna kvantno-mehanička definicija uredi

Atomske orbitale se mogu preciznije definisati u formalnom jeziku kvantne mehanike. Naime, u kvantnoj mehanici, stanje atoma je aproksimirana ekspanzija linearne kombinacije anti-simetrizovanog proizvoda (Slejterova determinanta) jedne elektronske funkcije. Prostorne komponente ovih jednoelektronskih funkcija nazivaju se atomske orbitale. (Kada se uzme u obzir i njihov spin komponenta, reč je o orbitali atomskog spina). A stanje je zapravo funkcija koordinata svih elektrona, tako da je njihovo kretanje u korelaciji, ali to je često aproksimirano modelom nezavisne čestica proizvoda talasa pojedinačnih funkcija elektrona.[5] (Londonova disperziona sila, na primer, zavisi od korelacije kretanja elektrona.)

U atomskoj fiziici, atomska spektralna linija odgovara tranziciji (kvantnih skokova) između kvantnih stanja atoma. Ova stanje su označena skupom kvantnih brojeva sažetih u simbolski pojam i obično se povezuje sa posebnim elektronskim konfiguracijama, odnosno, po šemi atomskih orbitala (na primer, 1s22s22p6 za stanje osnove neona simbol-oznaka: 1S0).

Ova notacija znači da je odgovarajuća Slejterova determinanta ima jasnu veću težinu u proširenoj interakciji konfiguracije. Koncepte atomske orbitale je stoga ključni koncept za vizualizaciju procesa pobuđivanja, povezanog sa datom tranzicijom. Na primer, to se može reći za tranziciju s obzirom da odgovara na pobude elektrona iz okupirane orbitale u datoj praznoj orbitali. Ipak, treba imati na umu da su elektroni fermioni koji se ponašaju po principu Paulijevog isključenja i ne mogu se razlikovati od ostalih elektrona u atomu. Osim toga, ponekad se dogodi da je interakcija širenje konfiguracije konvergira vrlo sporo i da se ne može govoriti o jednostavnoj funkciji jednotalasne determinante na sve. To je slučaj kada je velika korelacija elektrona. U osnovi, atomska orbitala je funkcija jednoelektronskog talasa, iako je većina elektrona ne postoje u jednom atomskom elektronu, te je takav talas aproksimacija.

Vrste orbitala uredi

 
Lažna boja gustine slike nekih vodonikolikih atomskih orbitala
(f i više orbitale nisu prikazane)

Atomske orbitale mogu biti kao vodonikova orbitala i koje su tačna rešenja za Šredingerovu jednačinu za atome slične vodoniku (tj. atoma s jednim elektronom). Alternativno, atomske orbitala se odnose na funkcije koje zavise od koordinata jednog elektrona (tj. orbitale), ali se koriste kao polazne osnove za približavanje talasne funkcije koja zavisi od istovremenih koordinata svih elektrona u atomu ili molekulu. Koordinatni sistemi za atomske orbitale su obično sferne koordinate (r, θ, φ) u atomima i kartezijske (x, y, z) u poliatomskim molekulima. Prednost sfernih koordinata (za atome) je da je funkcija orbitnog talasa proizvod tri faktora, od kojih svaki zavisi od jedne koordinate:

  • ψ (r, θ, φ) = R (r) Θ (θ) Φ (φ).

Ugaoni faktori atomskih orbitala Θ (θ) Φ (φ) generišu e, p, d, itd funkcije kao prave kombinacije sfernih harmonika Yℓm (θ, φ) (gde su i m kvantni brojevi).

Postoje tri matematička obrasca za radijalne funkcije R (r) koji se mogu birati kao polazište za izračunavanje svojstava atoma i molekula s mnogo elektrona:

  1. Atomske orbitale slične vodoniku su izvedene iz tačnog rešenja Šredingerove jednačine za jedan elektron i jezgro, za atome poput vodonika. Deo funkcije koja zavisi od udaljenosti od jezgra ima radijalne čvorove i opada kao e–konstanta × udaljenost.
  2. Orbitale Slejterovog tipa (STO) je forma bez radijalnih čvorova, ali opada iz jezgra kao što to čini vodoniku slična orbitala.
  3. Orbitale Gausovog tipa (Gausovih raspodela) nemaju radijalne čvorove i opada kao e –udaljenost na kvadrat.

Iako se vodonikolike orbitale i dalje koriste kao pedagoški alat, pojavom kompjutera, STO se pokazao kao bolji metod za atome i molekule diatomskih kombinacija. STO može zameniti i čvorove u vodonikolikim atomskim orbitalnama. Gausova raspodela se obično koristi u molekulama s tri ili više atoma. Iako nije toliko precizna kao STO, kombinacija mnogih Gausovih raspodela može postići preciznost vodoničnih orbitala kao kod vodonika.

Oblici orbitala uredi

Tabela orbitala uredi

Tabela ispod prikazuje orbitalne konfiguracije za stvarne vodonikoloke talasne funkcije 7, i stoga pokriva jednostavne elektronske konfiguracije za sve elemente u periodnom sistemu do radijuma. ψ grafikoni su prikazani sa i + talasna funkcija, a faze su prikazane u dve različite boje (proizvoljno crvena i plava). PZ orbitala je ista kao i P0 orbitala, ali se Px i PY formiraju uzimanjem linearne kombinacije P + 1 i P - 1 orbitale (što je razlog zašto su navedene pod M = ± 1 etiketom). Takođe, P + 1 i P - 1 nisu isti oblik kao i pz orbitala je ista kao p0 orbitala, ali px u py su formirane uzevši linearne kombinacije p+1 i p−1 orbitale (koja je zato prikazana ispod m = ±1 obeležavanja). Takođe, p+1 i p−1 nisu istog oblika kao p0, budući da su čist sferni harmonik.

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 pz px py dz2 dxz dyz dxy dx2−y2 fz3 fxz2 fyz2 fxyz fz(x2−y2) fx(x2−3y2) fy(3x2−y2)
n = 1  
n = 2        
n = 3                  
n = 4                                
n = 5                   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
n = 6         . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
n = 7   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Kvalitativno razumevanje oblika uredi

Oblici atomskih orbitala se mogu kvalitativno razumeti razmatranjem analognog slučaja stojećih talasa na kružnom bubnju.[6] Da bi se videla analogija, srednje vibraciono pomeranje svakog bita membrane bubnja od tačke ravnoteže tokom mnogih ciklusa (mera prosečne brzine i impulsa membrane bubnja u toj tački) mora se uzeti u obzir u odnosu na udaljenost te tačke od centra glave bubnja. Ako se ovo pomeranje shvati kao analogno verovatnoći pronalaska elektrona na datoj udaljenosti od jezgra, tada će se videti da mnogi modovi vibrirajućeg diska formiraju obrasce koji prate različite oblike atomskih orbitala. Osnovni razlog ovih razmatranja leži u činjenici da raspodela kinetičke energije i impulsa u materiji-talasu predviđa gde će biti čestica povezana sa talasom. Odnosno, verovatnoća pronalaska elektrona na datom mestu je takođe funkcija prosečnog impulsa elektrona u toj tački, budući da visok impuls elektrona u datom položaju teži da „lokalizuje“ elektron u tom položaju, putem svojstava elektrona talasni paketi (za detalje mehanizma videti Hajzenbergov princip neodređenosti).

Ovaj odnos znači da se određene ključne karakteristike mogu uočiti kako u membranskim modovima bubnja, tako i u atomskim orbitalama. Na primer, u svim modovima analognim s&nbsporbitalama (gornji red na animiranoj ilustraciji dole), može se videti da sam centar membrane bubnja najsnažnije vibrira, što odgovara antičvoru u svim s orbitalama u atomu. Ovaj antičvor znači da je elektron najverovatnije u fizičkom položaju jezgra (kroz koje prolazi pravo bez rasipanja ili udara), jer se u toj tački (u proseku) kreće najbrže, dajući mu maksimalan zamah.

Mentalna slika „planetarne orbite“ je najbliža ponašanju elektrona u s orbitala, sve od kojih nemaju ugaoni momenat, možda bi mogla biti slika Keplerovske orbite sa orbitalnom ekscentričnošću od 1, ali konačnom glavnom osom, što nije fizički moguće (jer bi se čestice sudarile), ali se može zamisliti kao granica orbita sa jednakim glavnim osama, ali rastuće ekscentričnosti.

Ispod su prikazani brojni načini vibracije membrane bubnja i odgovarajuće talasne funkcije atoma vodonika. Može se razmotriti korespondencija za talasne funkcije glave vibracionog bubnja za dvokoordinatni sistem ψ(r, θ), i za talasne funkcije vibrirajuće sfere za tri koordinate ψ(r, θ, φ).

Nijedan od ostalih skupova modova u membrani bubnja nema centralni antičvor, i u svima njima se centar bubnja ne pomera. Oni odgovaraju čvoru u jezgru za sve ne-s orbitale u atomu. Sve ove orbitale imaju određeni ugaoni momenat i u planetarnom modelu odgovaraju česticama u orbiti sa ekscentričnošću manjom od 1,0, tako da ne prolaze direktno kroz centar primarnog tela, već se drže podalje od njega.

Pored toga, modovi bubnja analogni modovima p i d u atomu pokazuju prostorne nepravilnosti duž različitih radijalnih pravaca od centra bubnja, dok su svi modovi analogni s modovima savršeno simetrični u radijalnom pravcu. Svojstva neradijalne simetrije ne-s orbitala neophodna su za lokalizaciju čestice sa ugaonim momemtom i talasnom prirodom u orbitali, gde ona mora da se drži podalje od centralne privlačne sile, jer svaka čestica lokalizovana u tačci centralne privlačnosti ne bi mogla da ima ugaoni momenat. U ovim modovima, talasi u glavi bubnja teže da izbegnu centralnu tačku. Takve osobine ponovo naglašavaju da su oblici atomskih orbitala direktna posledica talasne prirode elektrona.

Reference uredi

  1. ^ Orchin, Milton; Macomber, Roger S.; Pinhas, Allan & R. Marshall Wilson (2005). Atomic Orbital Theory (PDF). 
  2. ^ Daintith, J. (2004). Oxford Dictionary of Chemistry. New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-860918-6. 
  3. ^ Griffiths 1995, str. 190–191
  4. ^ Levine 2000, str. 144–145
  5. ^ Roger Penrose, The Road to Reality
  6. ^ Cazenave, T.; Lions, P. (1982). „Orbital stability of standing waves for some nonlinear Schrödinger equations”. Communications in Mathematical Physics. 85 (4): 549—561. Bibcode:1982CMaPh..85..549C. S2CID 120472894. doi:10.1007/BF01403504. 

Literatura uredi

Spoljašnje veze uredi