المدارات الذرّية

يمثل المستوى الذري المناطق ثلاثية الأبعاد في الذرة حيث يكون للإلكترونات أعلى احتمالية للإقامة فيها. تشير دالة التوزيع الشعاعي إلى الاحتمال الإجمالي لإيجاد إلكترون داخل الحاوية الواقية الرفيعة على مسافة r من النواة. تحتوي المدارات الذرية على أشكال مختلفة يتم تحديدها بواسطةl، وهو رقم مقدار قوة الدفع الزاوي. وغالباً ما يتم رسم المدارات على سطح حدودي، مما يؤدي إلى المناطق الأكثر كثافة في السحابة.  

العدد الكمّي للزخم الزاوي هو عدد صحيح قد يأخذ القيم l = 0, 1, 2, …, n – 1. يمكن لمدار بعدد كمّي رئيسي 1 (n = 1) أن يكون له قيمة واحدة فقط هي l (l = 0)، بينما يسمح العدد الكمي الرئيسي 2 (n = 2) بـ l = 0 و l = 1 . تحدد المستويات ذات القيمة نفسها l هيكل فرعي.

تسمى المدارات التي تحتوي على l = 0 بالمدارات s وهي تشكل s الأجزاء الفرعية. تتطابق القيمة l = 1 مع مدارات p. بالنسبة إلى n معين، تمثل المدارات p هيكل سفلي (أي 3p إذا كان n = 3). تسمى المدارات التي تحتوي على l = 2 بالمدارات d. المدارات التي تحتوي على l = 3, 4, و 5 هي المدارات f, g, و h. 

إن المستوى الأدنى للطاقة هو المستوى 1s. هذا مدار متماثل كرويّاً. تعني كثافة الاحتمال (ψ²) لمدار1s أن الإلكترون من المرجح أن يكون في النواة. ومع ذلك، نظراً للقوى الكهروستاتيكية بين البروتونات والإلكترونات، فإن هذا لا يمثل بدقة مكان تواجد الإلكترون. وبدلاً من ذلك، يتم استخدام الدالة وظيفة التوزيع الشعاعي،  وهي عبارة عن رسم للاحتمال الكلي لإيجاد إلكترون في مدار عند نصف قطر معين r توجد دالة التوزيع نصف القطري عن طريق ضرب كثافة الاحتمال في حجم الحاويات الكروية الرفيعة في نصف القطر، r. بالنسبة إلى مدار 1s للهيدروجين، فإن وظيفة التوزيع نصف القطري لها قيمة صفر في النواة، والتي تزيد إلى حد أقصى عند 52.9 بيكومتر قبل أن تتناقص مع زيادة r.

توجد مسافات معينة من النواة تكون فيها كثافة احتمال العثور على إلكترون موجود في مدار معين صفراً. بعبارة أخرى، فإن قيمة التموّج ψ هي صفر في هذه المسافة بالنسبة لهذا المدار. تسمى هذه القيمة r العقدة الشعاعية. عدد العقد القطرية في المستوى هو n – l – 1. بالنسبة للمدارات 2s، حيث n = 1، توجد عقدة شعاعية واحدة، بينما تحتوي مدارات 3s على عقدتين شعريتين.  

يحتوي كل مستوى رئيسي مع n = 2 أو أكثر على ثلاثة p مدارات. تحتوي المدارات em>p الثلاثة على فصّين مع عقدة تقع في النواة. يتم وصف اتجاه المدارات p في الفضاء بقيمة m_l.تكون المدارات الثلاثة p متعامدة بشكل متبادل (متعامدة) على بعضها البعض. تحتوي المدارات p الأعلى (3p, 4p, 5p, وأكثر) على أشكال متشابهة لكنها أكبر في الحجم مع عقد شعاعية إضافية.

تحتوي المستويات الرئيسي التي تحتوي على n = 3 أو أكثر على خمسة d مدارات. تتكون أربعة من هذه المدارات من شكل ورقة البرسيم، مع أربعة عقد كثيفة الإلكترون. هناك مستويان عقديّان متعامدان يتقاطعان في النواة. في هذه المستويات العقدية، تكون كثافة الإلكترون صفراً. يختلف شكل أحد المدارات d اختلافاً طفيفاً وله فصّين متّجهين نحو z-المحور مع حلقة دائرية مجوفة الشكل في المستوى xy. تحتوي المستويات الرئيسية التي تحتوي على n = 4 وأكبر على سبعة مدارات f، لها أشكال معقدة. تحتوي هذه المدارات على عقد وفصوص أكثر من المدارات d.

Figure 1: Representative s, p, d, and f orbitals.

تمثل هذه الأشكال المختلفة للمدارات الذرية المناطق ثلاثية الأبعاد التي يحتمل أن يوجد فيها الإلكترون. تشكل جميع المدارات معاً شكلاً كروياً تقريباً، وهذا هو سبب تمثيل الذرات بشكل عام كدوائر.

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Chemistry 2e, Section 6.3: Development of Quantum Theory.