Orbitaalit

Orbitaalit ovat kvanttimekaniikan ratkaisuja, jotka kuvaavat elektronin todennäköisyyskenttiä atomin sisällä. Ne määrittävät, missä todennäköisimmin elektronin voi löytää. Jokaisella tilalla voi olla enintään kaksi elektronia, joiden spinit ovat vastakkaiset, Pauli-periaatteen mukaan.

Orbitaalit merkitään kvanttiluvuilla n, l, m_l sekä m_s. Pääkvanttiluku n kuvaa energian ja tilan pääpiirteitä; sekundaarinen kvanttiluku l saa arvot 0 = s, 1 = p, 2 = d, 3 = f. Magneettinen kvanttiluku m_l kertoo orbitalin suunnan, ja m_l ∈ {−l, ..., l}. Spin kvanttiluku m_s on yhtä kuin ±1/2. Orbitaalien tyypit ovat: s-orbitaali (l = 0) on pallomainen; p-orbitaaleja on kolme ja ne ovat kolmiulotteisia kahden lobin muotoisia; d-orbitaaleja on viisi; f-orbitaaleja seitsemän.

Hydrogenin kaltaisissa atomeissa energiatilat voidaan ratkaista tarkasti; energiat riippuvat suurelta osin pääkvanttiluvusta n. Monielektronisissa atomeissa elektronit vuorovaikuttavat toistensa kanssa, minkä vuoksi l:n vaikutus ja vuorovaikutukset johtavat energioiden ja degeneroitumisen osittaiseen rikkomiseen. Tämä johtaa monimutkaisempaan rakenteeseen kuin yksittäisissä atomeissa.

Käytännössä orbitaalit kuvaavat elektronien jakautumista ja kertovat, miten atomien orbitals muodostavat molekyylejä. Atomiorbitaaleista muodostuu molekyylin molekulaarisia orbitaleja, joiden avulla voidaan selittää kemiallinen sitoutuminen ja reaktiivisuus. Laskennallisessa kemiassa orbitaalit esitetään basis-sarjoina, kuten Gaussian- tai Slater-tyyppisinä orbitaaleina, joiden avulla ratkaistaan elektronijakauma.

---