量子力学と化学では、軌道は電子対、電子、または核子の波のような挙動を表す数学関数です。軌道は、電子軌道または原子軌道とも呼ばれます。
原子軌道は、原子核を取り囲む空間の 3 次元領域です。原子軌道のおかげで、原子は共有結合を形成できます。最も頻繁に満たされる軌道は、s、p、d、および f 軌道です。パウリの排他原理によれば、どの軌道空間にも電子は 2 つしかありません。
同じ殻内のすべての電子は、n に対して同じ値、つまり一次量子数を持ちます。電子が同じ n、l、および m を持っている場合、それらは同じ軌道にあると言われます。これは、同じエネルギー準位を持ち、スピン量子数だけが異なることを意味します。
ノード:
ノードは、電子を見つける可能性がゼロの場所です。節面は、原子核を通り抜ける面であり、電子が存在する可能性はありません。方位量子数は軌道の節面の数に等しい。
ノードには、角度ノードと放射状ノードの 2 種類があります。角度のあるノードは、多くの場合、固定角度で平らです。主量子数が増加すると、放射状ノードは固定半径の球体として表示されます。
軌道のノードの総数は、角度ノードと半径ノードの合計に等しく、次のように n および l 量子数で表されます。
N =n – l – 1
軌道の種類とその形
原子軌道には、s、p、d、f、g、h など、いくつかの異なる種類があります。ただし、原子の基底状態では、指定された軌道の最初の 4 つだけが占有されます。軌道とその形は次のように説明されています:
サブシェル内のタイプの軌道の数は、与えられた I の値に対して許容される合計値によって決まります。原子軌道の 4 つのタイプは、l=0、1、2、および 3 の値に対応します。 s 軌道は球対称の形をしており、値は l =0 です。原子核で電子を見つける可能性が最も高くなります。
値 l=1 の p 軌道は、核を含む節面を構成し、ダンベル形状になります。
少なくとも 2 つの節面を持つ複雑な形状を持つ d 軌道には、l=2 の軌道があります。 l=3 の軌道は、より複雑な f 軌道として知られています。
電子のエネルギーは原子核からの平均距離によって決まるため、与えられた一連の量子数を持つ原子軌道には、軌道エネルギーとして知られる特定のエネルギーが関連付けられています。
E =Z2/ n2 Rhc
軌道の浸透は、内部の電子コアへの軌道の分布です。 2s 軌道の動径密度は、1s 軌道の曲線全体に分散しています。同様に、3s 軌道は 1s 軌道と 2s 軌道に分割されます。 2s または 3s 軌道での電子の拡散により、原子核からの内側の 1s 電子によって完全に遮蔽されることはありません。 s 軌道から f 軌道に移るにつれて、浸透のレベルは低下します。
s> p> d> f
s 軌道の原子核に近い動径分布は p 軌道よりも大きいため、透過は s 軌道から p 軌道に減少します。
1 つまたは複数の電子がより高いエネルギーの軌道を占める場合、イオンまたは原子は励起状態にあると言われますが、1 つまたは複数の電子がより低いエネルギーの軌道を占める場合、イオンまたは原子は基底状態にあると言われます。
軌道
原子核の周りでは、S 軌道は球対称です。原子核から出ると、エネルギー レベルが上がり、軌道が大きくなります。サイズは、1 秒 2 秒 3 秒の順です。
電子を検出する可能性は 1 秒で最も高く、電子から遠ざかるにつれて急速に減少します。 2s軌道の場合、確率密度は再び上昇する前にすぐにゼロに落ちます。 r の値がさらに増加すると、小さな最大値に達した後に低下し、最終的にゼロになります。
p軌道
p軌道はダンベルのように形成されます。核の p 軌道ノードは、核の中心にあります。 p 軌道には、3 つの軌道が存在するため、最大 6 つの電子が収容されます。 3 つの p 軌道は互いに直交しています。 p 軌道のサイズは一次量子数 n によって決まり、4p> 3p> 2p が最も一般的です。
d軌道
平面上のクローバーの葉または 2 つのダンベルが d 軌道です。 d 軌道の l=2 の値であるため、一次量子数 n の最小値は 3 です。l の値は n-1 以下でなければなりません。 l =2 の場合、d 軌道に対応する ml の値は (–2、–1、0、+1、および +2) であり、5 つの d 軌道になります。
f軌道
f軌道の形は分散しています。 f 軌道の l=3 の値なので、一次量子数 n の最小値は 4 です。 (-3,–2, –1, 0, +1, +2, +3) は ml の値です。 f 軌道に対応します。その結果、l =3 に対して 7 つの f 軌道があります。
縮退軌道
縮退軌道のエネルギーは同じです。これらの軌道は (原子核の周りの空間で異なる方向を向いている可能性があるという点で) 異なりますが、すべて同じエネルギーを持っています。外部場の存在下では、p 軌道の縮退は影響を受けませんが、f 軌道と d 軌道の縮退は、システムに外部場 (電場または磁場) を提供することによって破ることができます。
結論
S、p、d、および f は、軌道の 4 つの基本的なタイプです。球形の s 軌道は 2 つの電子を収容することができ、球形をしています。 3 つの p 軌道のそれぞれは、同じ基本的なダンベル構造を持っていますが、空間的な向きが異なります。電子のエネルギーに基づいて、各軌道タイプは異なる形状をしています。 s軌道の形は球形です。 p軌道はダンベルのような形をしています。 3 つの p 軌道が存在し、それぞれが 3 次元軸に沿って異なる方向を向いています。
