Atom orbitali

Atom nazariyasi va kvant mexanikasida atom orbitali atomdagi elektronning joylashuvi va toʻlqinsimon harakatini tavsiflovchi funksiyadir. Bu funksiya atom yadrosi atrofidagi har qanday aniq mintaqada atomning istalgan elektronini topish ehtimolini hisoblash uchun ishlatilishi mumkin. Atom orbital atamasi, shuningdek, orbitalning oʻziga xos matematik shakli bilan bashorat qilinganidek, elektron mavjudligini hisoblash mumkin boʻlgan jismoniy mintaqa yoki boʻshliqqa ham tegishli boʻlishi mumkin.

Atomdagi har bir orbital n, ℓ va ml uchta kvant sonlarining qiymatlari toʻplami bilan tavsiflanadi, ular mos ravishda elektronning energiyasiga, burchak momentumiga va burchak momentum vektor komponentiga (magnit kvant soni) mos keladi. Magnit kvant soniga muqobil ravishda orbitallar koʻpincha bogʻlangan garmonik polinomlar bilan belgilanadi (masalan, xy, ). Har bir bunday orbital maksimal ikkita elektron bilan band boʻlishi mumkin, ularning har biri oʻziga xos spin proyeksiyasiga ega.  . Oddiy s orbital, p orbital, d orbital va f orbital nomlari mos ravishda burchak momentum kvant soni  va  boʻlgan orbitallarga tegishli. Bu nomlar qiymati bilan birga n, atomlarning elektron konfiguratsiyasini tavsiflash uchun ishlatiladi. Ular dastlabki spektroskopistlar tomonidan ishqoriy metall spektroskopik chiziqlarning maʼlum seriyalarini <b id="mwPA">s</b> arfa, <b id="mwPg">p</b> rinsipal, <b id="mwQA">d</b> iffuse va <b id="mwQg">f</b> undamental sifatida tavsiflashdan olingan. ℓ > 3 uchun orbitallar alifbo tartibida davom etadi (g, h, i, k, …), qoldirmasdan j chunki baʼzi tillarda „i“ va „j“ harflari farqlanmaydi.

Atom orbitallari atom orbital modelining (yoki elektron buluti yoki toʻlqin mexanikasi modeli) asosiy qurilish bloklari boʻlib, materiyadagi elektronlarning submikroskopik harakatlarini vizualizatsiya qilish uchun zamonaviy asosdir. Ushbu modelda atomning elektron buluti oddiyroq vodorodga oʻxshash atom orbitallarining hosilasi boʻlgan elektron konfiguratsiyada (taxminan) tuzilgan deb qaralishi mumkin. Davriy jadvalning boʻlimlaridagi 2, 6, 10 va 14 elementli bloklarning takroriy davriyligi tabiiy ravishda s, p, d va f orbitallarning toʻliq toʻplamini egallagan elektronlarning umumiy sonidan kelib chiqadi, lekin undan yuqori boʻlsa ham. n kvant sonining qiymatlari, ayniqsa atom musbat zaryadga ega boʻlsa, baʼzi kichik qobiqlarning energiyalari juda oʻxshash boʻladi va shuning uchun ularni elektronlar bilan toʻldirish tartibi faqat bir oz ixtiyoriy ravishda ratsionalizatsiya qilinishi mumkin.
link=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e7/Hydrogen_Density_Plots.png/330px-Hydrogen_Density_Plots.png|thumb| Turli energiya darajalarida vodorod atomidagi elektronning atom orbitallari. Elektronni topish ehtimoli yuqori oʻngdagi kalitda koʻrsatilganidek, rang bilan berilgan.

 Elektron xossalari 
Kvant mexanikasi va eksperimental topilmalar rivojlanishi bilan (masalan, elektronlarning ikki yoriqli difraksiyasi) yadro atrofida aylanayotgan elektronlarni zarrachalar sifatida toʻliq tasvirlab boʻlmasligi, balki ularni toʻlqin-zarracha ikkilikligi bilan izohlash zarurligi aniqlandi. Shu maʼnoda elektronlar quyidagi xususiyatlarga ega:

Zarrachaga oʻxshash xususiyatlar:

 Yadro atrofida aylanadigan elektronlar soni faqat butun son boʻlishi mumkin.
 Elektronlar zarralar kabi orbitallar orasidan sakrab oʻtadi. Misol uchun, agar bitta foton elektronlarga urilsa, natijada faqat bitta elektron holatni oʻzgartiradi.
 Elektronlar zarrachaga oʻxshash xususiyatlarni saqlab qoladi, masalan: har bir toʻlqin holati uning elektron zarrasi bilan bir xil elektr zaryadiga ega. Har bir toʻlqin holati superpozitsiyasiga qarab bitta diskret spinga ega (yuqoriga yoki pastga aylanish).

 Orbital turlari 
link=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c4/Atomic-orbital-clouds_spdf_m0.png/330px-Atomic-orbital-clouds_spdf_m0.png|thumb| Ehtimollik zichligi va fazasini koʻrsatadigan vodorodga oʻxshash baʼzi atom orbitallarining 3D koʻrinishi (g orbital va undan yuqori koʻrsatilmagan)
Atom orbitallari vodorodga oʻxshash „orbitallar“ boʻlishi mumkin, ular vodorodga oʻxshash „atom“ (yaʼni, bitta elektronli atom) uchun Shredinger tenglamasining aniq echimi hisoblanadi. Shu bilan bir qatorda, atom orbitallari bir elektronning (yaʼni, orbitallarning) koordinatalariga bogʻliq boʻlgan, ammo atom yoki molekuladagi barcha elektronlarning bir vaqtning oʻzida koordinatalariga bogʻliq boʻlgan toʻlqin funksiyalarini yaqinlashish uchun boshlangʻich nuqta sifatida ishlatiladigan funksiyalarni anglatadi. Orbitallar uchun tanlangan koordinatalar tizimi odatda atomlarda sferik koordinatalar  va koʻp atomli molekulalarda dekart  hisoblanadi. Bu yerda sferik koordinatalarning afzalligi shundaki, orbital toʻlqin funksiyasi uchta omilning har biri bitta koordinataga bogʻliq boʻlgan koʻpaytmasidir:  . Atom orbitallarining burchak omillari D  s, p, d va boshqalarni hosil qiladi.  sferik harmonikalarning haqiqiy birikmalari vazifasini bajaradi (bu yerda ℓ va m kvant sonlari). Radial funksiyalar uchun odatda uchta matematik shakl mavjud Koʻp elektronli atomlar va molekulalarning xususiyatlarini hisoblash uchun boshlangʻich nuqta sifatida tanlanishi mumkin boʻlgan  :

 Murakkab orbitallar 
link=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/de/Electronic_levels.svg/450px-Electronic_levels.svg.png|alt=Electronic levels|thumb|450x450px| Polielektron atomlarning energetik darajalari va pastki darajalari.
Fizikada eng keng tarqalgan orbital tavsiflar vodorod atomining eritmalariga asoslanadi, bu yerda orbitallar radial funksiya va sof sferik harmonik oʻrtasidagi mahsulot bilan beriladi. Kvant raqamlari va ularning mumkin boʻlgan qiymatlarini tartibga soluvchi qoidalar quyidagicha:

Asosiy kvant soni n elektronning energiyasini tavsiflaydi va har doim musbat butun sondir . Aslida, u har qanday musbat butun son boʻlishi mumkin, lekin quyida muhokama qilingan sabablarga koʻra, katta raqamlar kamdan-kam uchraydi. Har bir atom, umuman olganda, n ning har bir qiymati bilan bogʻliq boʻlgan koʻplab orbitallarga ega; bu orbitallar birgalikda baʼzan elektron qobiqlar deb ataladi.

Azimutal kvant soni ℓ har bir elektronning orbital burchak momentini tavsiflaydi va manfiy boʻlmagan butun sondir. n baʼzi bir butun son  boʻlgan qobiq ichida ℓ munosabatni qanoatlantiradigan barcha (butun) qiymatlar boʻylab diapazonda joylashgan.  . Masalan,  qobiq faqat orbitallarga ega  va  qobiq faqat orbitallarga ega  va  . ning maʼlum bir qiymati bilan bogʻliq boʻlgan orbitallar toʻplami ℓ baʼzan birgalikda subshell deb ataladi.

Magnit kvant soni, , elektronning ixtiyoriy yoʻnalishdagi magnit momentini tavsiflaydi va har doim ham butun sondir. Subshell ichida qaerda  baʼzi bir butun sondir ,  shunday diapazonda:  .

Yuqoridagi natijalarni quyidagi jadvalda umumlashtirish mumkin. Har bir katak pastki qavatni ifodalaydi va qiymatlarini sanab oʻtadi  ushbu pastki qavatda mavjud. Boʻsh hujayralar mavjud boʻlmagan pastki qavatlarni ifodalaydi.
……0−1, 0, 1…0−1, 0, 1−2, −1, 0, 1, 2…0−1, 0, 1−2, −1, 0, 1, 2−3, −2, −1, 0, 1, 2, 3…0−1, 0, 1−2, −1, 0, 1, 2−3, −2, −1, 0, 1, 2, 3−4, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, 4……………………
Subshelllar odatda ular bilan aniqlanadi  – va  -qiymatlar.  uning son qiymati bilan ifodalanadi, lekin  harf bilan quyidagicha ifodalanadi: 0 's', 1 'p', 2 'd', 3 'f' va 4 'gʻ bilan ifodalanadi. Masalan, subshell haqida gapirish mumkin  va  „2s subshell“ sifatida.

Har bir elektron, shuningdek, har bir elektronning spinini (yuqoriga yoki pastga aylantirish) tavsiflovchi spin kvant raqamiga ega s soni boʻlishi mumkin -;+

Pauli istisno printsipi shuni koʻrsatadiki, atomdagi ikkita elektron toʻrtta kvant sonining bir xil qiymatlariga ega boʻlmaydi. Agar orbitalda uchta kvant soni (n, ℓ, m) uchun berilgan qiymatlarga ega ikkita elektron mavjud boʻlsa, bu ikki elektron spinida farq qilishi kerak.

Yuqoridagi konventsiyalar afzal qilingan oʻqni nazarda tutadi (masalan, Dekart koordinatalaridagi z yoʻnalishi) va ular ushbu afzal oʻq boʻylab afzal qilingan yoʻnalishni ham nazarda tutadi. Aks holda  ni  dan ajratishning maʼnosi boʻlmaydi. Shunday qilib, model ushbu simmetriyalarga ega boʻlgan jismoniy tizimlarga qoʻllanilganda eng foydali hisoblanadi. Stern-Gerlach tajribasi – atom magnit maydon taʼsirida – bunday misollardan birini beradi.

 Haqiqiy orbitallar 
link=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/66/Orbital_p1-px_animation.gif|thumb|220x220px| orasidagi doimiy oʻzgaruvchan superpozitsiyalarning animatsiyasi  va  orbitallar. Esda tutingki, bu animatsiya Kondon-Shortli faza konventsiyasidan foydalanmaydi.

 Orbitalar jadvali 
Ushbu jadval 7s gacha boʻlgan barcha atom orbitallari uchun haqiqiy vodorodga oʻxshash toʻlqin funksiyalarini koʻrsatadi va shuning uchun davriy jadvaldagi barcha elementlarning asosiy holatidagi egallangan orbitallarni radiygacha va baʼzilari undan tashqarida qamrab oladi. „ps“ grafiklari ikki xil rangda (oʻzboshimchalik bilan qizil va koʻk) koʻrsatilgan - va + toʻlqin funksiyasi fazalari bilan koʻrsatilgan.  orbitali  orbitali bilan bir xil, ammo  va   va  orbitallarining chiziqli birikmalarini olish natijasida hosil boʻladi (shuning uchun ular  yorligʻi ostida keltirilgan).). Bundan tashqari,  va   bilan bir xil shaklga ega emas, chunki ular sof sferik harmonikalardir .
s ()p ()d ()f ()spzpxpydz2dxzdyzdxydx2−y2fz3fxz2fyz2fxyzfz(x2−y2)fx(x2−3y2)fy(3x2−y2)50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px50x50px. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .50x50px50x50px50x50px50x50px. . . ‡. . .. . . ‡. . .. . . ‡. . . *. . . *. . . *. . . *. . . *. . . *. . . *50x50px. . . †. . . †. . . †. . . *. . . *. . . *. . . *. . . *. . . *. . . *. . . *. . . *. . . *. . . *. . . *
* Haligacha 6f, 7d yoki 7f elektronli elementlar topilmagan. Bu holat esa, ularni yanada oʻrganishga sabab boʻlmoqda.

7p elektronli elementlar topildi, ammo ularning elektron konfiguratsiyasi faqat taxmin qilingan xolos.

Eng baland orbitali 6d orbital boʻlgan elementlar uchun faqat baʼzi elektron konfiguratsiyalar tasdiqlangan. (Ds, Rg va Cn hali ham yoʻq).

Bular kimyoda keng qoʻllaniladigan haqiqiy qiymatli orbitallardir. Faqat  orbitallar, bu yerda orbital burchak momentum operatorining xos holatlari,  . bilan ustunlar  Ular ikkita xos holatning kombinatsiyasini oʻz ichiga oladi. Quyidagi rasmda taqqoslashni koʻring:
link=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2a/Atomic_orbitals_spdf_m-eigenstates_and_superpositions.png/220px-Atomic_orbitals_spdf_m-eigenstates_and_superpositions.png|thumb| Atom orbitallari spdf m-oʻz holatlari va superpozitsiyalari

 Manbalar 

Turkum:Atom fizikasi
Turkum:Pages with unreviewed translations