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EIN orbital ist in der Quantenmechanik die Gegend um a Atomkern in denen Elektronen mit einem bestimmten Energie sind mit 90% Wahrscheinlichkeit. In dem klassische Mechanik, mag ich Das Atommodell von Bohr, sind die Elektronen befindet sich in einer Reihe von kugelförmigen Peeling um den Atomkern. Die Quantenmechanik beschreibt jedoch die Position eines Elektrons mit a Wellenfunktion, das selbst auch als Orbital bezeichnet wird. In der Quantenmechanik lässt sich die Position eines Elektrons nicht sicher bestimmen. Jedoch durch a Wahrscheinlichkeitsverteilung, die durch die Wellenfunktion bestimmt wird, um zu bestimmen, wie wahrscheinlich es ist, dass sich das Elektron in einem bestimmten Bereich befindet.
Position eines Elektrons
In dem klassischAtommodell ein Elektron befand sich in einer Schale, einem kugelförmigen Bereich um den Kern und das Elektron wurde als mehr oder weniger punktförmiges Teilchen angesehen.
Das Quantenmechanik andererseits basiert auf dem Prinzip der Dualität. Nach diesem Prinzip können wir Elektronen sowohl als Wellen als auch als Teilchen betrachten. Dies rückt eine typische Partikeleigenschaft wie „Position“ in ein etwas anderes Licht, denn Wellen sind einfach keine punktförmigen Objekte, sondern sind über größere Flächen lokalisiert, etwa Wellen auf der Meeresoberfläche. Orbitale sind die Muster stehender Wellen, die entstehen, wenn ein Elektron (eine Welle) von einem Atomkern im elektrischen Feld des Kerns eingefangen wird.
Die Welleninterpretation erklärt vieles. Auf diese Weise wird klar, warum das Elektron (Teilchen) nicht einfach in den Kern kracht: Denn ein Elektron ist einfach eine Welle, die sich nicht so einfach auf einen so kleinen Raum reduzieren lässt und ein stehendes Wellenmuster bilden muss.
Dem Stehwellenmuster lässt sich aber auch eine Teilcheninterpretation zuordnen, was auch logisch ist, denn das Elektron weist immer auch Teilcheneigenschaften auf. (Zum Beispiel hat es immer noch eine Masse und eine Ladung). Das Wellenfunktion Ψ(x,y,z), das das räumliche Wellenmuster des Elektrons beschreibt und selbst auch als "Orbital" bezeichnet wird, gilt dann als bestimmend für die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Position des Elektrons um den Atomkern. Genauer gesagt: die Größe |Ψ|2 gilt als die Wahrscheinlichkeitsdichte. Dies ist eine etwas gefährliche Interpretation, da sie den Eindruck erwecken könnte, dass das Elektron immer noch an einem Punkt in seiner Position festgehalten werden könnte. Die Dualität und die Heisenbergsche Unschärferelation, die damit verbunden ist, sagt, dass dies nicht möglich ist, weil die Impulsunsicherheit unendlich groß würde, wenn die Positionsunsicherheit auf Null reduziert würde.
Grundsätzlich ist es möglich, das Elektron in sehr großer Entfernung vom Kern zu finden, aber die Wahrscheinlichkeit dafür ist äußerst gering. Daher wählt man das kleinstmögliche Volumen, in dem sich das Elektron mit einer Wahrscheinlichkeit von 90 % befindet. Dieser Bereich wird dann als orbital betrachtet. Die Konturebenen dieser Region werden als Bilder des Orbitals verwendet.
Wellenfunktionen sind jedoch schwer zu visualisieren; Ψ selbst ist im Allgemeinen eine komplexe dreidimensionale Funktion, die sich auch in der Phase mit der Zeit ändert. Es kann Teile des Wellenmusters geben, bei denen die Phase ein entgegengesetztes Vorzeichen zeigt. Teile der entgegengesetzten Phase werden durch Knotenebenen getrennt. Diese Phasenunterschiede sind sehr wichtig für die Weiterentwicklung der Theorie der Bindung, die Atome in Molekülen zusammenhält. |Ψ|2 weist dieses Phasenverhalten nicht auf. Die Funktion ist nicht komplex, sondern real, sogar nicht-negativ und daher leichter zu visualisieren.
s-Orbitale
Das einfachste Orbital ist das 1s-Orbital. Das ist kugelförmig.
Die Wellenfunktion des untersten s-Orbitals (1s) hat überall das gleiche Vorzeichen, so dass das Orbital vollständig zusammenhängend ist. Das Maximum der Wahrscheinlichkeitsverteilung ist im Kern des Atoms, wo in der klassischen Mechanik das Elektron sicher nicht kommen könnte und die Wahrscheinlichkeitsdichte mit zunehmendem Abstand vom Kern abnimmt.
Die 2s und höhere Orbitale haben Knotenebenen, Ebenen, in denen die Wellenfunktion durch Null geht. Die Knotenebenen der 2s, 3s usw. sind konzentrische Kugelflächen. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Elektronen auf diesen Ebenen ist null, das Elektron kann nur auf beiden Seiten einer solchen Ebene gefunden werden. Da das Elektron eine solche Ebene nicht erreichen kann, kann es von einer Seite zur anderen nur durch Tunnel.
p-Orbitale
Nach dem s folgen die p-Orbitale. Die niedrigste ist 2p; dies zeigt eine Hantelform, deren Knoten mit dem Atomkern zusammenfällt. Es gibt 1 Knopffläche, die in der Mitte zwischen den beiden Armen der Hantel verläuft. Ein p-Orbital ist a lineare Kombination von drei möglichen p-Orbitalen derselben Unterebene. Diese orientieren sich im Raum nach drei aufrecht entgegengesetzte Richtungen.
Höhere p-Orbitale (3p, 4p, ... ) haben neben der Knotenebene zwischen den Hanteln auch Knotenebenen wie die höheren s-Orbitale in Form einer Kugelschale.
d, f, g, h... und höhere Orbitale
Die d-, f- und höheren Orbitale zeigen immer kompliziertere Formen und beginnen mit 2, 3 und mehr Knotenebenen.
Siehe auch
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