Орбитали – области за пределами атомного ядра, где электроны, скорее всего, располагаются. Они характеризуются различными энергетическими уровнями, формами и трехмерными ориентациями.
Расположение электронов чаще всего описывается оболочкой или основным энергетическим уровнем, затем суб-оболочкой в каждой оболочке и, наконец, отдельными орбитами, найденными в суб-оболочках. Первая оболочка находится ближе всего к ядру, и она имеет только одну суб-оболочку с одной сферической орбитой, именуемую 1s орбиталью, которая может содержать два электрона. Следующая оболочка содержит восемь электронов: два на сферической орбите 2s, и два в каждой из трех орбит в форме гантели – 2р орбитали. На более высоких энергетических уровнях самые внешние орбиты из обнаруженных – d и f, принимают более сложные формы. В общей сложности 10 электронов могут разместиться на пяти d орбиталях, и 14 всего электронов располагаются на семи f орбитальных.
Орбитальные диаграммы могут быть использованы для визуализации местоположения и относительных уровней энергии каждого электрона в атоме. В каждой оболочке электроны имеют растущий уровень энергии. Суб-оболочка имеет наименьшее количество энергии. Электроны из суб-оболочкер имеют несколько более высокую энергию, далее следуют суб-оболочки d и f, если таковые имеются.
Мы видели, что электроны на разных орбитах имеют разные уровни энергии. Откуда мы знаем, что в электронах вообще есть энергия, а тем более что электроны могут иметь различное количество энергии? В 1913 году Нильс Бор смог экспериментально определить, сколько энергии было получено и потеряно, когда электроны изменили орбиты в атоме водорода и других ионов с помощью одного электрона. Объединив результаты своих экспериментов с предварительным знанием положительно заряженного ядра из работы Эрнеста Резерфорда, Бор разработал первую модель орбит электронов.
Когда электроны получают энергию, они входят в возбужденное состояние и прыгают на более высокие орбиты. Энергия может быть добавлена в электроны в виде тепла или света, и когда они теряют эту энергию быстро, они отпадают от более высокой орбиты и испускают частицу света, называемую фотоном. Цвет испускаемого фотона соответствует определенному количеству энергии, так что его можно количественно оценить с помощью спектроскопа.
Бор смог определить энергию, содержащуюся в основных энергетических уровнях, также называемых оболочками, путем нагрева водорода. Дополнительная тепловая энергия заставила электрон подскочить с первого уровня энергии на более высокие уровни. Затем Бор измерил длину волны света, который был излучаем, когда атомы снова остыли.
Модель орбит электронов Бора предполагала, что электроны вращаются вокруг ядра фиксированными круговыми путями. Хотя его эксперименты были точными для водородных и водородных ионов с одним электроном, он не мог предсказать конфигурацию электронов других элементов. Должны быть дополнительные факторы, влияющие на физику субатомных частиц.
В 1926 году Эрвин Шрёдингер расширил модель энергетических уровней Бора и разработал модель атомных орбитальных станций, которая до сих пор принята. Шрёдингер принял во внимание ряд других открытий, касающихся физического поведения электронов, сделанных учеными в начале 1920-х годов. Его квантовая механическая модель точно предсказывает конфигурацию электронов элементов с несколькими электронами. Одним из фундаментальных изменений в модели Шрёдингера является предположение о том, что электроны путешествуют в волновом движении, на которое влияет положительный заряд ядра. Из-за этого орбиты, о которых мы говорим сегодня, являются облачными областями, где электроны, скорее всего, можно найти, а не фиксированными круговыми путями, как предложил Бор. Другим важным отличием является разделение энергетических уровней Бора на более мелкие категории – суб-оболочки и орбитали.
