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原子は、軽い電子に囲まれた重い核で構成されています。電子の振る舞いは、量子力学の規則によって支配されています。これらの規則により、電子は軌道と呼ばれる特定の領域を占有できます。原子の相互作用はほとんど排他的に最も外側の電子を介するため、これらの軌道の形状は非常に重要になります。たとえば、原子が互いに隣接している場合、最も外側の軌道が重なると、強力な化学結合を作成できます。そのため、原子の相互作用を理解するには、軌道の形状に関する知識が重要です。
量子数と軌道
物理学者は、速記を使用して原子内の電子の特性を記述するのが便利であることに気付きました。速記は量子数の観点からです。これらの数字は整数であり、小数ではありません。主量子数nは、電子のエネルギーに関連しています。軌道量子数lと角運動量量子数mがあります。他にも量子数がありますが、それらは軌道の形状に直接関係していません。軌道は、核の周りの経路であるという意味での軌道ではありません。代わりに、それらは電子が見つかる可能性が最も高い位置を表します。
S軌道
nの各値に対して、lとmの両方がゼロに等しい1つの軌道があります。これらの軌道は球体です。 nの値が大きいほど、球体が大きくなります。つまり、電子が原子核からより遠くに見つかる可能性が高くなります。球は全体にわたって均等に密ではありません。それらはネストされたシェルに似ています。歴史的な理由により、これはs軌道と呼ばれます。量子力学の規則により、n = 1の最低エネルギー電子は、lとmの両方がゼロに等しくなければならないため、n = 1に存在する唯一の軌道はs軌道です。 s軌道は、nの他のすべての値にも存在します。
P軌道
nが1より大きい場合、より多くの可能性が開きます。 L（軌道量子数）は、n-1までの任意の値を持つことができます。 lが1に等しい場合、軌道はp軌道と呼ばれます。 P軌道はダンベルのように見えます。各lについて、mは1のステップで正から負のlになります。したがって、n = 2、l = 1の場合、mは1、0、または-1に等しくなります。つまり、p軌道には3つのバージョンがあります。1つは上下にダンベルを使用し、もう1つは左右にダンベルを使用し、もう1つは他の両方に対して直角にダンベルを使用します。 P軌道は、1より大きいすべての主要な量子数に対して存在しますが、nが大きくなるにつれて追加の構造を持ちます。
D軌道
n = 3の場合、lは2に等しく、l = 2の場合、mは2、1、0、-1、-2に等しくなります。 l = 2軌道はd軌道と呼ばれ、mの異なる値に対応する5つの異なる軌道があります。 n = 3、l = 2、m = 0軌道もダンベルのように見えますが、中央にドーナツがあります。他の4つのd軌道は、4つの卵が正方形のパターンで端に積み重なっているように見えます。異なるバージョンには、異なる方向を指す卵があります。
F軌道
n = 4、l = 3の軌道はf軌道と呼ばれ、説明が困難です。複数の複雑な機能があります。たとえば、n = 4、l = 3、m = 0; m = 1;また、m = -1軌道は再びダンベルのような形をしていますが、バーベルの端の間に2つのドーナツがあります。他のm値は、8つの風船の束のように見え、すべての結び目が中央で結び付けられています。
視覚化
電子軌道を支配する数学はかなり複雑ですが、さまざまな軌道のグラフィカルな実現を提供する多くのオンラインリソースがあります。これらのツールは、原子の周りの電子の挙動を視覚化するのに非常に役立ちます。