Elektronische Struktur von Atomen

Ein Atom besteht aus drei subatomaren Teilchen – Elektronen, Protonen und Neutronen. Positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen bilden den Atomkern, in dem sich die gesamte positive Ladung und der größte Teil der Masse eines Atoms befinden.

Elektronen sind die negativ geladenen, massearmen Bestandteile, die sich im leeren Raum um den Kern befinden. Ein Atom ist elektrisch neutral, wenn es so viele Elektronen wie Protonen hat.

Elektronen weisen eine duale Natur auf – Teilchen und Welle. Ihre Lage im Raum und ihre Energie sind komplementäre Eigenschaften. Daher ist die Position eines Elektrons mit einer wohldefinierten Energie unsicher.

Das quantenmechanische Modell eines Atoms sagt voraus, dass die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron mit einer bestimmten Energie in einem dreidimensionalen Bereich im Raum zu finden, aus dem Quadrat der Wellenfunktion bestimmt werden kann, das die wellenförmige Natur des Elektrons ausdrückt, auch Elektronenwahrscheinlichkeitsdichte genannt.

Eine Funktion, die die wahrscheinliche räumliche Position eines Elektrons mit spezifischer Energie in einem Atom beschreibt, wird als Atomorbital bezeichnet.

Jedes Orbital entspricht einer einzigartigen Kombination von drei Quantenzahlen. Die Hauptquantenzahl n gruppiert Orbitale in Energieniveaus oder Schalen.

Der Drehimpuls oder die azimutale Quantenzahl l gruppiert Orbitale innerhalb von Schalen in Unterschalen. Jeder Wert von l entspricht entweder einem s-, p-, d- oder f-Orbital unterschiedlicher Form.

Einige Orbitalformen können mehrere mögliche Orientierungen haben, die jeweils mit einer magnetischen Quantenzahl m_l verbunden sind. Die Anzahl der Orientierungen für eine gegebene Unterschale ist gleich zwei-l plus eins.

Die vierte Quantenzahl – die Spin-Quantenzahl m_s – ist mit den Elektronen verbunden, die ein Orbital besetzen, und hat nur zwei mögliche Werte: "plus die Hälfte" und "minus die Hälfte". Dadurch wird sichergestellt, dass keine zwei Elektronen in einem Atom für alle vier Quantenzahlen die gleichen Werte haben.

Durch die Überlagerung der Orbitale entsteht eine annähernd kugelförmige Form, wie eine "Wolke" aus Elektronen, die den Kern umgibt. Aus diesem Grund werden Atome im Allgemeinen als Kugeln dargestellt.