Orbital nguyên tử

Trongthuyết nguyên tửvàcơ học lượng tử,orbital nguyên tử(tiếng Anh:atomic orbital,viết tắt làAO), hay còn gọi làobitan nguyên tử,đám mây nguyên tử,quỹ vực nguyên tử,là mộthàm sốmô tả lạitrạng thái giống như sóngcủa mộtelectrontrongnguyên tử.^[1]Hàm này có thể được sử dụng để tínhxác suấttìm thấy bất kỳ electron nào của nguyên tử ở bất kỳ vùng cụ thể nào xung quanhhạt nhân nguyên tử.Thuật ngữorbital nguyên tửcũng có thể đề cập đến vùng hoặc không gian vật lý nơi có thể tính toán được sự hiện diện của electron, như được dự đoán bởi dạng toán học cụ thể (particular mathematical form) của orbital.^[1]

Mặc dù điều này giống với cáchành tinhquay xung quanhMặt Trời,các electron không thể mô tả như những hạt rắn và vì thế mới có tên gọi là orbital nguyên tử. Từ trước, con người nghĩ orbital nguyên tử tương tự nhưquỹ đạohìnhelipcủa các hành tinh. Một cách nói chính xác hơn là một đám bụi lớn và thường cókhí quyểnvới hình thù kỳ quặc (là tập hợp các hạt electron), phân bố xung quanh một hành tinh tương đối nhỏ (làhạt nhân nguyên tử). Nếu chính xác thì các orbital nguyên tử được mô tả như hình dạng của bầu khí quyển chỉ khi mộtelectron độc thâncó mặt trong một nguyên tử. Khi có nhiều electron được thêm vào một nguyên tử độc thân, sự bổ sung thêm các electron đó tạo nên sự đồng đều để lấp đầy vùng không gian xung quanh hạt nhân (đôi khi còn gọi là "đám mây electron" của nguyên tử)^[2]dẫn đến một khối hình cầu trong đó xác suất tìm thấy electron càng ngày càng lớn.

Mỗi orbital trong nguyên tử được đặc trưng bởi một tập hợp các giá trị của basố lượng tử $n$ , $ℓ$ ,và $m l$ ,tương ứng với năng lượng của electron,mô men động lượngcủa nó vàthành phần vectơmô men động lượng (số lượng tử từ). Để thay thế cho số lượng tử từ, các orbital thường được "dán nhãn" với cácharmonic polynomialsliên quan (ví dụ nhưxy,x²−y²). Mỗi orbital như vậy có thể được "chiếm" bởi tối đa hai electron, mỗi electron có projection ofspinriêng của nó $m_{s}$ .Các tên đơn giảnorbital s,orbital p,orbital dvàorbital fđề cập đến các orbital có số lượng tử mô men động lượng $ℓ = 0, 1, 2$ và $3$ .Những tên này, cùng với giá trị của $n$ ,được sử dụng để mô tảcấu hình electroncủa nguyên tử. Chúng bắt nguồn từ mô tả của các nhàquang phổ họcđầu tiên về một sốvạch quang phổ kim loại kiềmlàsharp,principal,diffuse,vàfundamental.Orbital cho $ℓ$ > 3 tiếp tục theo thứ tự bảng chữ cái (g, h, i, k,...),^[3]bỏ j^[4]^[5]vì một số ngôn ngữ không phân biệt chữ "i" và "j".^[6]

Từ khoảng năm 1920, ngay trước khi nềncơ học lượng tửhiện đại vàquy tắc Klechkovskyra đời thì nguyên tử được tạo dựng nên từ các cặp electron, được sắp xếp đơn giản lặp đi lặp lại theo mô hình số lẻ (1, 3, 5, 7,...), đã được gợi lên bởiNiels Bohrvà một số người tham gia khác có chút giống với orbital nguyên tử trongcấu hình electroncủa các nguyên tử phúc tạp. Trong toán học củavật lý nguyên tử,nó được dùng để giới thiệu về các hàm điện tử của các hệ thống phức tạp vào trong sự kết hợp với sự đơn giản của orbital nguyên tử. Mặc dù mỗi electron trong một đa electron nguyên tử không giới hạn trong một hoặc hai electron nguyên tử, vẫn còn hàm sóng lượng tử có thể bị phá vỡ khi vẫn còn trong orbital nguyên tử.

Định nghĩa chính của cơ học lượng tử

Trongcơ học lượng tử,trạng thái của một nguyên tử, tức là những trạng thái riêng của nguyên tử Hamilton, được mở rộng vào trong tổ hợptuyến tínhcủa các sản phẩm theo nguyên tắc phản đối xứng của những hàm electron riêng biệt. Các thành phần có trong không gian của những hàm electron riêng biệt được gọi làorbital nguyên tử.(Khi xét qua thành phầnspin,một cách nói khác củaorbital nguyên tử spin).

Trongvật lý nguyên tử,các vòng quang phổ nguyên tử tương ứng với trình chuyển đổi (bước nhảy lượng tử) giữa các trạng thái lượng tử của một nguyên tử. Các trạng thái này được ký hiệu bởi tập hợpsố lượng tửđược tóm tắt trong biểu tượng thuật ngữ và thường liên quan đến cấu hình đặc biệt của electron.

Lịch sử

Thuật ngữ "orbital" đượcRobert S. Mullikenđặt ra vào năm 1932, là viết tắt củahàm sóng orbital một electron.^[7]Niels Bohrgiải thích vào khoảng năm 1913 rằng các electron có thể quay xung quanh một hạt nhân compact vớimô men động lượngxác định.^[8]Mô hình của Bohrlà một sự cải tiến dựa trên những giải thích năm 1911 củaErnest Rutherford.Nhà vật lý người Nhật BảnHantaro Nagaokađã công bố một giả thuyết dựa trên quỹ đạo (orbit-based hypothesis) về hành vi của electron ngay từ năm 1904.^[9]Những lý thuyết này đều được xây dựng dựa trên những quan sát mới, bắt đầu từ những hiểu biết đơn giản và trở nên chính xác và phức tạp hơn. Giải thích hành vi của các "quỹ đạo" electron này là một trong những động lực thúc đẩy sự phát triển củacơ học lượng tử.^[10]

Mức năng lượng orbital

Mỗi orbital có một mức năng lượng riêng. Cácelectrontrên mỗi orbital có một mức năng lượng xác định gọi làmức năng lượng orbital nguyên tử.Các electron trên các orbital khác nhau của cùng một phân lớp có năng lượng như nhau.

Liên hệ đến hệ thức bất định

Xem thêm

Chú thích

^^a ^bOrchin, Milton; Macomber, Roger S.; Pinhas, Allan; Wilson, R. Marshall (2005).“1. Atomic Orbital Theory”(PDF).The Vocabulary and Concepts of Organic Chemistry(ấn bản thứ 2). Wiley.Lưu trữ(PDF)bản gốc ngày 9 tháng 10 năm 2022.
^Những bài giảng vật lý của Feynman - Xuất Bản Lần Cuối, Tập 1 bài 6 trang 11. Feynman, Richard; Leighton; Sands. (2006)Addison Wesley ISBN 0-8053-9046-4
^Griffiths, David (1995).Introduction to Quantum Mechanics.Prentice Hall. tr. 190–191.ISBN 978-0-13-124405-4.
^Levine, Ira (2000).Quantum Chemistry(ấn bản thứ 5). Prentice Hall. tr.144–145.ISBN 978-0-13-685512-5.
^Laidler, Keith J.; Meiser, John H. (1982).Physical Chemistry.Benjamin/Cummings. tr. 488.ISBN 978-0-8053-5682-3.
^Atkins, Peter; de Paula, Julio; Friedman, Ronald (2009).Quanta, Matter, and Change: A Molecular Approach to Physical Chemistry.Oxford University Press. tr. 106.ISBN 978-0-19-920606-3.
^Mulliken, Robert S. (tháng 7 năm 1932). “Electronic Structures of Polyatomic Molecules and Valence. II. General Considerations”.Physical Review.41(1): 49–71.Bibcode:1932PhRv...41...49M.doi:10.1103/PhysRev.41.49.
^Bohr, Niels (1913).“On the Constitution of Atoms and Molecules”.Philosophical Magazine.26(1): 476.Bibcode:1914Natur..93..268N.doi:10.1038/093268a0.S2CID 3977652.
^Nagaoka, Hantaro (tháng 5 năm 1904).“Kinetics of a System of Particles illustrating the Line and the Band Spectrum and the Phenomena of Radioactivity”.Philosophical Magazine.7(41): 445–455.doi:10.1080/14786440409463141.Bản gốclưu trữ ngày 27 tháng 11 năm 2017.Truy cập ngày 30 tháng 5 năm 2009.
^Bryson, Bill (2003).A Short History of Nearly Everything.Broadway Books. tr.141–143.ISBN 978-0-7679-0818-4.

Liên kết ngoài

Sự lai hoá các orbital nguyên tử^{[liên kết hỏng]}

[:0-1] Orchin, Milton; Macomber, Roger S.; Pinhas, Allan; Wilson, R. Marshall (2005).“1. Atomic Orbital Theory”(PDF).The Vocabulary and Concepts of Organic Chemistry(ấn bản thứ 2). Wiley.Lưu trữ(PDF)bản gốc ngày 9 tháng 10 năm 2022.

[2] Những bài giảng vật lý của Feynman - Xuất Bản Lần Cuối, Tập 1 bài 6 trang 11. Feynman, Richard; Leighton; Sands. (2006)Addison Wesley ISBN 0-8053-9046-4

[3] Griffiths, David (1995).Introduction to Quantum Mechanics.Prentice Hall. tr. 190–191.ISBN 978-0-13-124405-4.

[4] Levine, Ira (2000).Quantum Chemistry(ấn bản thứ 5). Prentice Hall. tr.144–145.ISBN 978-0-13-685512-5.

[5] Laidler, Keith J.; Meiser, John H. (1982).Physical Chemistry.Benjamin/Cummings. tr. 488.ISBN 978-0-8053-5682-3.

[6] Atkins, Peter; de Paula, Julio; Friedman, Ronald (2009).Quanta, Matter, and Change: A Molecular Approach to Physical Chemistry.Oxford University Press. tr. 106.ISBN 978-0-19-920606-3.

[7] Mulliken, Robert S. (tháng 7 năm 1932). “Electronic Structures of Polyatomic Molecules and Valence. II. General Considerations”.Physical Review.41(1): 49–71.Bibcode:1932PhRv...41...49M.doi:10.1103/PhysRev.41.49.

[Bohr_1913_476-8] Bohr, Niels (1913).“On the Constitution of Atoms and Molecules”.Philosophical Magazine.26(1): 476.Bibcode:1914Natur..93..268N.doi:10.1038/093268a0.S2CID 3977652.

[Nagaoka_1904_445–455-9] Nagaoka, Hantaro (tháng 5 năm 1904).“Kinetics of a System of Particles illustrating the Line and the Band Spectrum and the Phenomena of Radioactivity”.Philosophical Magazine.7(41): 445–455.doi:10.1080/14786440409463141.Bản gốclưu trữ ngày 27 tháng 11 năm 2017.Truy cập ngày 30 tháng 5 năm 2009.

[10] Bryson, Bill (2003).A Short History of Nearly Everything.Broadway Books. tr.141–143.ISBN 978-0-7679-0818-4.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

x t s Các mô hình nguyên tử
Nguyên tử đơn lẻ	Mô hình Dalton(Bóng Billiard) Mô hình Thomson(Mứt mận) Mô hình Lewis(Nguyên tử lập phương) Mô hình Nagaoka(Mô hình Saturn) Mô hình Rutherford(Hành tinh nguyên tử) Mô hình Bohr(Mô hình Rutherford–Bohr) Mô hình Bohr–Sommerfeld(Mô hình Bohr tinh sửa) Mô hình Gryziński(Mô hình rơi tự do) Mô hình Schrödinger(Mô hình mây điện tử) Mô hình Dirac-Gordon(Mô hình nguyên tử tương đối)
Nguyên tử trongchất rắn	Mô hình Drude Điện tử tự do Điện tử gần tự do Vùng năng lượng Phiếm hàm mật độ
Nguyên tử trongchất lỏng	Chất lưu Newton Heli lỏng Khí hiếm Khí Van der Waals Hydro mới sinh
Nhà khoa học	Felix Bloch Niels Bohr John Dalton Paul Dirac Paul Drude Walter Gordon Michał Gryziński Irving Langmuir Gilbert N. Lewis Hantaro Nagaoka Isaac Newton Ernest Rutherford Erwin Schrödinger Arnold Sommerfeld J. J. Thomson Johannes Diderik van der Waals