1.5. Атомные орбитали

Волновое уравнение не может точно ответить на вопрсс о нахождении электрона в любой определенный момент времени или о скорости его движения; оно не позволяет нарисовать точную орбиту около ядра. Вместо

этого оно дает вероятность нахождения электрона в любой определенной точке.

Элемент пространства, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. Существуют различные типы орбиталей, имеющих различные размеры и формы и расположенных определенным образом около ядер атомов. Тип орбитали, занимаемой электроном, зависит от его энергии. Именно формы этих орбиталей и их расположение относительно друг друга представляют особый интерес, поскольку они определяют (или, более точно, удобно считать, что они определяют) пространственное расположение атомов в молекуле и даже помогают установить ее химические свойства.

Удобно изображать электрон размазанным в виде облака. Можно рассматривать это облако как неясную фотографию быстро движущегося электрона. Форма облака — это форма орбитали.

Рис. 1.1. Атомная s-орбиталь (ядро находится в центре).

Облако неоднородно, и плотность его наибольшая в тех областях, где наиболее вероятно нахождение электрона т. е. в тех областях, где средний отрицательный заряд, или электронная плотность, наибольшие. Такое электронное облако показывает распределение заряда.

Рассмотрим формы некоторых атомных орбиталей. Орбиталь с наиболее низким энергетическим уровнем называется ls-орбиталью. Она представляет собой сферу, в центре которой находится ядро атома (рис. 1.1). Орбиталь не имеет определенной границы, поскольку существует, хотя и очень малая, вероятность найти электрон на значительном расстоянии от ядра или даже у другого атома! Однако вероятность очень быстро уменьшается за пределами определенного расстояния от ядра, так что распределение заряда достаточно хорошо представлено электронным облаком на рис. 1.1, а. Для простоты можно даже представить орбиталь, как на рис. 1.1, б, где сплошные линии ограничивают область, в которой электрон находится большую часть времени (95%).

Затем следует -орбиталь, обладающая более высокой энергией. Она также имеет форму сферы, в центре которой находится ядро атома. Она, естественно, больше -орбитали: большая энергия (меньшая стабильность) является следствием большего среднего расстояния между электроном и ядром, в результате чего уменьшается электростатическое притяжение. (Рассматривается работа, которую следует затратить, чтобы оторвать электрон от противоположно заряженного ядра.)

Далее следуют три орбитали с равной энергией, которые называются -орбиталями (рис. 1.2). Каждая -орбиталь имеет форму гантели. Она

состоит из двух частей, между которыми расположено атомное ядро. Ось каждой -орбитали перпендикулярна осям двух других -орбиталей. Эти орбитали называются где соответствующие оси.

Рис. 1.2. Атомные р-орбитали. Оси взаимно перпендикулярны. а — поперечный разрез двух частей одной орбитали; б - приблизительная форма орбитали в виде пары искаженных эллипсоидов; в — изображение в виде пары несоприкасающихся сфер.