Les orbitales sont les zones à l’extérieur du noyau atomique où les électrons sont le plus susceptibles de résider. Elles sont caractérisées par des niveaux d’énergie, des formes et des orientations tridimensionnelles différentes.
L’emplacement des électrons est décrit le plus généralement par une couche ou un niveau d’énergie principal, puis par une sous-couche dans chaque couche et, enfin, par des orbitales individuelles se trouvant dans les sous-couches. La première couche est la plus proche du noyau, et elle n’a qu’une seule sous-couche avec une seule orbitale sphérique, appelée orbitale 1s, qui peut contenir deux électrons. La couche suivante contient huit électrons au total : deux dans l’orbitale sphérique 2s et deux dans chacune des trois orbitales 2p en forme d’haltère. Dans les niveaux d’énergie plus élevés, les orbitales les plus externes, celles que l’on trouve dans les sous-couches d et f, prennent des formes plus complexes. Un total de 10 électrons peut tenir dans les cinq orbitales d, et 14 électrons au total tiennent dans les sept orbitales f.
Les diagrammes d’orbitales peuvent être utilisés pour visualiser la localisation et les niveaux d’énergie relatifs de chaque électron dans un atome. Dans chaque couche, les électrons ont un niveau croissant d’énergie. La sous-couche s a la plus faible quantité d’énergie. Les électrons de la sous-couche p ont une énergie un peu plus élevée, suivis par ceux de la sous-couche d et f s’ils sont présents.
Nous avons vu que les électrons dans des orbitales différentes ont des niveaux d’énergie différents. Comment savons-nous qu’il y a de l’énergie dans les électrons, voire que les électrons peuvent avoir des quantités différentes d’énergie ? En 1913, Niels Bohr a été en mesure de déterminer expérimentalement combien d’énergie a été acquise et perdue lorsque les électrons ont changé d’orbitale dans un atome d’hydrogène et dans d’autres ions avec un seul électron. En combinant les résultats de ses expériences avec la connaissance préalable d’un noyau chargé positivement à partir des travaux d’Ernest Rutherford, Bohr a développé le premier modèle d’orbitales d’électrons.
Lorsque les électrons gagnent de l’énergie, ils entrent dans un état excité et sautent vers des orbitales plus élevées. L’énergie peut être ajoutée aux électrons sous forme de chaleur ou de lumière et, quand ils perdent cette énergie rapidement, ils retombent de l’orbitale supérieure et émettent une particule de lumière appelée photon. La couleur du photon émis correspond à une quantité spécifique d’énergie afin qu’elle puisse être quantifiée par un spectroscope.
Bohr a été en mesure de déterminer l’énergie contenue dans les principaux niveaux d’énergie, qu’on appelle aussi couches, en chauffant de l’hydrogène. L’énergie thermique supplémentaire a forcé l’électron à sauter du premier niveau d’énergie à des niveaux plus élevés. Bohr a ensuite mesuré la longueur d’onde de la lumière qui a été émise lorsque les atomes se sont refroidis à nouveau.
Le modèle des orbitales d’électrons de Bohr supposait que les électrons décrivaient une orbite circulaire et fixe autour du noyau. Bien que ses expériences aient été précises pour l’hydrogène et des ions comme l’hydrogène avec un seul électron, il ne pouvait pas prévoir les configurations électroniques d’autres éléments. Il devait y avoir d’autres facteurs influençant la physique des particules subatomiques.
En 1926, Erwin Schrödinger a élargi le modèle des niveaux d’énergie de Bohr et il a développé le modèle des orbitales atomiques qui est encore accepté aujourd’hui. Schrödinger a pris en compte un certain nombre d’autres découvertes concernant le comportement physique des électrons qui ont été faites par les scientifiques au début des années 1920. Son modèle de la mécanique quantique prévoit avec précision les configurations électroniques d’éléments avec plusieurs électrons. Un changement fondamental dans le modèle de Schrödinger est l’hypothèse que les électrons se propagent suivant le mouvement d’une onde qui est impacté par la charge positive du noyau. Pour cette raison, les orbitales dont nous parlons aujourd’hui sont des zones semblables à des couches où les électrons sont les plus susceptibles d’être trouvés plutôt que des trajectoires circulaires fixes comme Bohr l’a proposé. Une autre distinction essentielle est la division des niveaux d’énergie de Bohr (couches) en petites catégories (sous-couches et orbitales).
