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Orbitaldefinition und Beispiel

 

Orbital Definition

In der Chemie und der Quantenmechanik ist ein Orbital eine mathematische Funktion, die das wellenartige Verhalten eines Elektrons, Elektronenpaars oder (seltener) Nukleonen beschreibt. Ein Orbital kann auch als Atomorbital oder Elektronenorbital bezeichnet werden. Obwohl die meisten Menschen an eine „Umlaufbahn“ in Bezug auf einen Kreis denken, können die Wahrscheinlichkeitsdichtebereiche, die ein Elektron enthalten können, kugelförmige, hantelförmige oder kompliziertere dreidimensionale Formen sein.

Der Zweck der mathematischen Funktion besteht darin, die Wahrscheinlichkeit des Ortes eines Elektrons in einer Region um (oder theoretisch innerhalb) eines Atomkerns abzubilden.

Ein orbitales kann bezieht eine Elektronenwolke einen Energiezustand gegeben durch Werte der beschriebenen n , l und m l Quantenzahlen. Jedes Elektron wird durch einen eindeutigen Satz von Quantenzahlen beschrieben. Ein Orbital kann zwei Elektronen mit gepaarten Spins enthalten und ist häufig mit einer bestimmten Region eines Atoms verbunden. Das s-Orbital, das p-Orbital, das d-Orbital und das f-Orbital beziehen sich auf Orbitale mit einer Drehimpulsquantenzahl ℓ=0, 1, 2 bzw. 3. Die Buchstaben s, p, d und f stammen aus den Beschreibungen der Alkalimetallspektroskopielinien als scharf, prinzipiell, diffus oder fundamental. Nach s, p, d und f sind Orbitalnamen jenseits von ℓ=3 alphabetisch (g, h, i, k, …). Der Buchstabe j wird weggelassen, da er sich nicht in allen Sprachen von i unterscheidet.

 

Orbitalbeispiele

Das 1s 2 -Orbital enthält zwei Elektronen. Es ist das niedrigste Energieniveau (n=1) mit einer Drehimpulsquantenzahl ℓ=0.

Die Elektronen im 2p x -Orbital eines Atoms befinden sich im Allgemeinen in einer hantelförmigen Wolke um die x-Achse.

 

Eigenschaften von Elektronen in Orbitalen

Elektronen weisen eine Welle-Teilchen-Dualität auf, was bedeutet, dass sie einige Eigenschaften von Teilchen und einige Eigenschaften von Wellen aufweisen.

Partikeleigenschaften

  • Elektronen haben partikelartige Eigenschaften. Beispielsweise hat ein einzelnes Elektron eine elektrische Ladung von -1.
  • Es gibt eine ganzzahlige Anzahl von Elektronen um einen Atomkern.
  • Elektronen bewegen sich wie Teilchen zwischen Orbitalen. Wenn beispielsweise ein Lichtphoton von einem Atom absorbiert wird, ändert nur ein einzelnes Elektron die Energieniveaus.

Welleneigenschaften

Gleichzeitig verhalten sich Elektronen wie Wellen.

  • Obwohl es üblich ist, Elektronen als einzelne feste Teilchen zu betrachten, ähneln sie in vielerlei Hinsicht eher einem Lichtphoton.
  • Es ist nicht möglich, den Ort eines Elektrons zu bestimmen, sondern nur die Wahrscheinlichkeit zu beschreiben, einen innerhalb eines durch eine Wellenfunktion beschriebenen Bereichs zu finden.
  • Elektronen umkreisen den Kern nicht wie die Erde die Sonne. Die Umlaufbahn ist eine stehende Welle, deren Energieniveaus wie Harmonische auf einer vibrierenden Saite sind. Das niedrigste Energieniveau eines Elektrons entspricht der Grundfrequenz einer schwingenden Saite, während höhere Energieniveaus wie Harmonische sind. Die Region, die ein Elektron enthalten könnte, ähnelt eher einer Wolke oder Atmosphäre, außer dass eine sphärische Wahrscheinlichkeit nur gilt, wenn ein Atom nur ein einziges Elektron hat!

 

Orbitale und der Atomkern

Obwohl sich Diskussionen über Orbitale fast immer auf Elektronen beziehen, gibt es auch Energieniveaus und Orbitale im Kern. Die verschiedenen Orbitale führen zu Kernisomeren und metastabilen Zuständen.

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