โครงแบบอิเล็กตรอน

ในฟิสิกส์อะตอมและเคมีควอนตัม การจัดเรียงอิเล็กตรอน หรือ โครงแบบอิเล็กตรอน หมายถึง การแจกแจงของอิเล็กตรอนในอะตอมหรือโมเลกุล (หรือโครงสร้างทางฟิสิกส์อื่น ๆ) ในออร์บิทัลเชิงอะตอมหรือเชิงโมเลกุล และมีการจัดเรียงตามระดับพลังงานหลักและระดับพลังงานย่อย โดยมีการแบ่งชั้นที่แน่นอน โดยในอะตอมจะเรียงไปเรื่อย ๆ ตามโดยเลขอะตอม ตัวอย่างเช่นโครงแบบอิเล็กตรอนของอะตอมนีออนคือ   หมายความว่าระดับชั้นย่อย 1s 2s และ 2p จะมีอิเล็กตรอนอยู่จำนวน 2 2 และ 6 ตัวตามลำดับ

โครงแบบอิเล็กตรอนกล่าวไว้ว่า อิเล็กตรอนแต่ละตัวเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในออร์บิทัล ในสนามเฉลี่ยที่สร้างขึ้นโดยนิวเคลียส และอิเล็กตรอนตัวอื่น ๆ  ในทางคณิตศาสตร์สามารถอธิบายได้ด้วยดีเทอร์มิแนนต์สเลเตอร์หรือฟังก์ชันสถานะโครงแบบ

ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ระดับชั้นพลังงานจะสอดคล้องกับแต่ละโครงแบบอิเล็กตรอน ในบางสถานการณ์ อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนย้ายจากโครงแบบหนึ่งไปอีกโครงแบบหนึ่ง ด้วยการคายหรือดูดพลังงานเป็นควอนตัม ในรูปของโฟตอน

ความรู้เรื่องโครงแบบอิเล็กตรอนของอะตอมต่าง ๆ มีประโยชน์ในการเข้าใจโครงสร้างของตารางธาตุ เพื่ออธิบายพันธะเคมีที่เชื่อมอะตอมเข้าด้วยกัน และในการเข้าใจสูตรเคมีของสารประกอบและเรขาคณิตของโมเลกุล  ในวัสดุปริมาณมวล ความคิดเดียวกันนี้ช่วยอธิบายสมบัติบางประการของเลเซอร์และสารกึ่งตัวนำ
link=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Electron_shell_003_Lithium_-_no_label.svg|thumb|120x120px|แผนภาพโปร์ของลิเทียม

 เชลล์และซับเชลล์ 

s  ( = 0)p ( = 1)m = 0m = 0m = ±1spzpxpyn = 1link=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Atomic-orbital-cloud_n1_l0_m0.png|32x32pxn = 2link=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Atomic-orbital-cloud_n2_l0_m0.png|48x48pxlink=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Atomic-orbital-cloud_n2_l1_m0.png|48x48pxlink=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Atomic-orbital-cloud_n2_px.png|48x48pxlink=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Atomic-orbital-cloud_n2_py.png|48x48px
โครงแบบอิเล็กตรอนถูกคิดเป็นครั้งแรกในแบบจำลองอะตอมของโปร์ และยังได้รับการกล่าวถึงเมื่อพูดถึงเชลล์และซับเชลล์ ซึ่งสวนกับความเข้าใจที่เพิ่มขึ้นของธรรมชาติอิเล็กตรอนในเชิงกลศาสตร์ควอนตัม

 เชลล์หรือระดับชั้น 
ระดับชั้นอิเล็กตรอนเป็นเซตของสถานะยินยอมที่มีเลขควอนตัมมุขสำคัญ n ร่วมกันที่อิเล็กตรอนสามารถมีได้ ในแต่ละพจน์ของโครงแบบอิเล็กตรอน n เป็นจำนวนเต็มบวกที่อยู่หน้าตัวอักษรแสดงออร์บิทัล (โครงแบบอิเล็กตรอนของฮีเลียมคือ 1s2 ดังนั้น n = 1 และออร์บิทัลมีอิเล็กตรอน 2 ตัว) ระดับชั้นอิเล็กตรอนที่ n จะสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ 2n2 ตัว ตัวอย่างเช่น ระดับชั้นที่หนึ่งสามารถบรรจุอิเล็กตรอน 2 ตัว ระดับชั้นที่สองอิเล็กตรอน 8 ตัว ระดับชั้นที่สาม 18 ตัว ไปเรื่อย ๆ  ตัวประกอบเลข 2 ประกฏขึ้นเนื่องด้วยจำนวนของสถานะยินยอมเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในแต่ละระดับชั้นที่ติดกันเนื่องจากสปินของอิเล็กตรอน แต่ละออร์บิทัลเชิงอะตอมจะสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้มากสุด 2 ตัวที่มีสปินตรงข้ามกัน ตัวหนึ่งมีสปินเป็น + (มักจะเขียนโดยใช้ลูกศรชี้ขึ้น) และตัวหนึ่งมีสปินเป็น - (โดยใช้ลูกศรชี้ลง)

 ซับเชลล์หรือระดับชั้นย่อย 
ระดับชั้นย่อยเป็นเซตของสถานะที่นิยามโดยเลขควอนตัมคงทิศทาง  ร่วมกันภายในระดับชั้น ค่าของ  จะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 0 ถึง n − 1  ค่า  = 0, 1, 2, 3 สอดคล้องกับชื่อ s p d และ f ตามลำดับ ตัวอย่างเช่น ระดับย่อย 3d มี n = 3 และ  = 2  จำนวนอิเล็กตรอนมากสุดที่สามารถวางในระดับย่อยได้ 2(2 + 1) สูตรนี้ให้อิเล็กตรอน 2 ตัวในระดับชั้นย่อย s  อิเล็กตรอน 6 ตัวในระดับชั้นย่อย p  อิเล็กตรอน 14 ตัวในระดับชั้นย่อย f

จำนวนอิเล็กตรอนที่สามารถอยู่ได้ภายใน แต่ละระดับชั้นและแต่ละระดับชั้นย่อยมาจากสมการต่าง ๆ ในกลศาสตร์ควอนตัม โดยเฉพาะหลักการกีดกันของเพาลี ที่กล่าวไว้ว่า ไม่มีสองอิเล็กตรอนใดเลยในอะตอมเดียวกันที่สามารถมีเลขควอนตัมสี่ตัวเหมือนกันทุกตัวได้เลย

รายละเอียดทางเทคนิคอย่างละเอียดถี่ถ้วนเกี่ยวกับทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมที่สมบูรณ์ของสเปกตรัมและโครงสร้างของอะตอมสามารถพบและศึกษาได้ในหนังสือพื้นฐานของ Robert D. Cowan

ระดับชั้นย่อยจะมี 4 ประเภทใหญ่ คือ s,p,d และ f และแต่ละชนิดก็จะมีรูปร่างต่างกันอีก ดังตาราง

 ระดับพลังงานหลัก  ชนิดของออร์บิทัลที่มีได้ 1  s 2  s p 3  s p d 4  s p d f 5  s p d f g*

ออร์บิทัล g ยังไม่มีการค้นพบ เนื่องจากในการจัดเรียงอิเล็กตรอน จะมีการซ้อนเหลื่อมกัน

ของแต่ละออร์บิทัลที่ต่างชั้นระดับพลังงานหลักกัน ทำให้ในการจัดเรียงอิเล็กตรอนแทนที่จะออกมาเป็นดังนี้

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g 6s...

กลับกลายเป็น 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s ... ทำให้ธาตุที่ค้นพบปัจจุบันนี้ยังไม่มีจำนวนอิเล็กตรอนที่มากพอจะถึงชั้น g

เพิ่มเติม ออร์บิทัลเหล่านี้ เมื่อดูจากตารางธาตุ จะพบว่าธาตุในตารางธาตุมีการจัดเรียงเวเลนซ์อิเล็กตรอนตามออร์บิทัลด้วย
โดยธาตุ 2 หมู่ซ้ายสุด จะอยู่ในออร์บิทัล s หมู่ IIIA - VIIIA จะอยู่ในออร์บิทัล p ธาตุแทรนซิชันชั้นในทั้งหมดอยู่ในออร์บิทัล d
และอนุกรมแลนทาไนด์-แอกทิไนด์ อยู่ในออร์บิทัล f

 ดูเพิ่ม 

 การประมาณของบอร์น-ออปเพนไฮเมอร์
 จำนวนอิเล็กตรอนระดับชั้นย่อย d
 โครงแบบอิเล็กตรอนของธาตุ (หน้าข้อมูล)
 ตารางธาตุ (ขยาย) – อภิปรายเกี่ยวกับขีดจำกัดของตารางธาตุ
 หมู่ (ตารางธาตุ)
 โฮโม/ลูโม
 สัญลักษณ์พจน์เชิงโมเลกุล
 กฎออกเตต
 ตารางธาตุ (การจัดเรียงอิเล็กตรอน)
 ฮาร์มอนิกเชิงทรงกลม
 อิเล็กตรอนขาดคู่
 เวเลนซ์อิเล็กตรอน

 อ้างอิง 

หมวดหมู่:สมบัติทางเคมี
หมวดหมู่:ฟิสิกส์อะตอม
หมวดหมู่:ฟิสิกส์โมเลกุล
หมวดหมู่:เคมีควอนตัม
หมวดหมู่:เคมีเชิงทฤษฎี