Графическое построение атомных орбиталей

Программа Orbital Viewer (скачать) - может визуализировать орбитали различных атомов. Для этого нужно задать параметры волновой функции, которая описывает орбитали электронов атома. Для этого нам нужно уметь определить как минимум главное и орбитальные квантовые числа исходя из химического элемента.

	Базовый уровень статей Выделить только проверенную информацию
	Создать черновик

Теоретические сведения

С одной стороны, нам нужно однозначно идентифицировать химический элемент. Это возможно с помощью атомного числа.

Атомное число — термин введенный Генри Мозли. Он пришел к выводу, что ядро простейшего атома несет заряд +1, заряд следующего +2 и т. д. Эту величину он и назвал атомным числом. В соответствии с этим числом расположены химические элементы в периодической таблице Менделеева. В последствии в 1932 году Гейзенберг предложил протонно — нейтроную модель атома. И исходя из нее суммарная масса протонов (p) и нейтронов (n) равняется атомному весу (А). С другой стороны, заряд ядра зависит только от положительно заряженных протонов, поэтому он равняется атомному числу (Z). Таким образом: p + n = A; p = Z; n = A — Z.

С другой стороны, на выходе мы должны получить электронную плотность вокруг атома, построенную на основании всех атомных орбиталей электронов соответствующего атома.

Атомная орбиталь — пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона (). Описывается одноэлектронной волновой функцией, квадрат которой характеризует плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Существует дискретный набор таких орбиталей, и электроны могут находиться длительное время только в этих состояниях, так как они являются наиболее устойчивыми.

Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях

Главное квантовое число n может принимать любые целые положительные значения, начиная с единицы (n = 1,2,3, … ∞) и определяет общую энергию электрона на данной орбитали (энергетический уровень) :

$E_{n}=-{\frac {me^{4}}{n^{2}{\hbar ^{2}}}}$

Атомные орбитали отличаются энергией, размером, формой и положением в пространстве относительно ядра. Согласно квантово-механическим расчетам s-орбитали имеют форму шара, p-орбитали — форму гантели, d-орбиталь в зависимости от характеризующих ее квантовых чисел может принимать две различные формы, а f-орбиталь — четыре различные формы.

Форма s-орбитали	Другие варианты орбиталей

Электронная оболочка — понятие введенное на основании модели атома Льюиса-Ленгмюра. Обозначаются буквами К, L, M, N и т. д. В последствии стало соответствовать главному квантовому числу n. Каждая электронная оболочка может иметь определенное максимальное число электронов, которое можно вычислить по формуле 2n². Тогда для n=1 общие число электронов 2, для n=2 — 8, для n=3 — 18, для n=4 — 32, для n=5 — 50 и т. д.

Электронные оболочки с главным квантовым числом n можно разделить на n подоболочек. Первая подоболочка будет содержать 2 электрона, а каждая последующая на 4 электрона больше, чем предыдущая, то есть 6, 10, 14, 18 и т. д. Подоболочки обозначаются как s, p, d, f, g, h и i. Соответствует орбитальному квантовому числу l = 1, 2 и т. д. И тогда первая оболочка K состоит из 1s подоболочки, L оболочка из 2s и 2p подоболочек, M оболочка из 3s, 3p и 3d, и т. д.

Каждая подоболочка состоит из атомных орбиталей.

Электронная конфигурация — расположение электронов по различным электронным оболочкам атома химического элемента или молекулы.

Для примера возьмем углерод. Его электронная конфигурация описывается формулой 1s²2s²2p², что означает 2 электрона на подоболочке 1s, 2 электрона на подоболочке 2s и 2 электрона на подоболочке 2p.