Genel bakış

Orbitaller, elektronların bulunması en muhtemel yer olan atom çekirdeğinin dışındaki alanlardır. Onlar farklı enerji düzeyleri, şekiller ve üç boyutlu oryantasyonlar ile karakterize edilirler.

Bir Atom İçindeki Bir Elektronun Konumu Enerji Seviyesi ve Yörüngesel Şekle Karşılık Gelir

Elektronların konumu genellikle bir kabuk veya ana enerji seviyesi, daha sonra her kabuk içindeki bir alt kabuk ve son olarak, alt kabukların içinde bulunan bireysel orbitaller tarafından tanımlanır. İlk kabuk çekirdeğe en yakın olan kabuktur ve iki elektron bulundurabilen 1s orbitali olarak adlandırılan tek bir küresel yörüngeye sahip tek bir alt kabuğu vardır. Bir sonraki kabuk toplam sekiz elektron bulundurur: küresel 2s orbitalinde iki ve dambıl şekilli üç tane 2p orbitallerinin her birinde iki. Daha yüksek enerji seviyelerinde, en dıştaki orbitaller —d ve f alt kabuklarında bulunanlar— daha karmaşık şekillerde bulunurlar. Toplam 10 elektron beş d orbitaline sığabilir ve 14 toplam elektron yedi f orbitaline sığar.

Orbital diyagramları bir atomdaki her elektronun konumunu ve relatif enerji düzeylerini görselleştirmek için kullanılabilir. Her bir kabuk içinde, elektronlar yükselen bir enerji seviyesine sahiptir. s alt kabuğu en düşük enerjiye sahiptir. P alt kabuğundaki elektronlar biraz daha yüksek enerjiye sahiptir, eğer varsa ardından d ve f alt kabukları takip eder.

Orbitallerin Konseptini Ortaya Koyan Bohr Modeli

Farklı yörüngelerdeki elektronların farklı enerji seviyelerine sahip olduğunu gördük. Elektronların farklı miktarlarda enerjiye sahip olabileceğinden çok daha az, elektronlarda enerji olduğunu nasıl biliriz? 1913’te Niels Bohr, elektronlar bir hidrojen atomunda ve diğer iyonlarda tek bir elektronla orbitalleri değiştirdiğinde ne kadar enerji kazanıldığını ve kaybedildiğini deneysel olarak belirleyebildi. Bohr, yaptığı deneylerin sonuçlarını Ernest Rutherford’un çalışmalarından pozitif yüklü bir çekirdeğin önceden bilgisi ile birleştirerek elektron orbitallerinin ilk modelini geliştirdi.

Elektronlar enerji kazandıklarında uyarılmış bir duruma geçerler ve daha yüksek orbitallere atlarlar. Enerji, elektronlara ısı veya ışık şeklinde verilebilir ve bu enerjiyi hızla kaybettiklerinde, yüksek yörüngeden geri düşerler ve foton adı verilen bir ışık parçacığı yayarlar. Yayılan fotonun rengi belirli bir enerji miktarına karşılık gelir, böylece bir spektroskopla ölçülebilir.

Bohr, ana enerji seviyelerinde —kabuk olarak da adlandırılır— bulunan enerjiyi hidrojeni ısıtarak belirleyebildi. Ek ısı enerjisi, elektronu ilk enerji seviyesinden daha yüksek seviyelere çıkmaya zorladı. Bohr daha sonra atomlar tekrar soğuduğunda yayılan ışığın dalga boyunu ölçtü.

Atomun Kuantum Mekanik Modeli

Bohr’un elektron orbitalleri modeli, elektronların çekirdeğin etrafında sabit dairesel yollarda yörüngede döndüğünü varsaydı. Onun deneyleri tek bir elektronlu hidrojen ve hidrojen benzeri iyonlar için doğru olsa da diğer elementlerin elektron konfigürasyonlarını tahmin edemeyebiliyordu. Atomaltı parçacıkların fiziğine etki eden ek faktörler de olmak zorundaydı.

1926’da Erwin Schrödinger, Bohr’un enerji seviyeleri modelini genişletti ve bugün hala kabul edilen atomik yörüngeler modelini geliştirdi. Schrödinger, 1920’lerin başında bilim adamları tarafından yapılan elektronların fiziksel davranışlarına ilişkin bir dizi başka keşif de yaptı. Onun kuantum mekanik modeli, birden fazla elektron içeren elementlerin elektron konfigürasyonlarını doğru bir şekilde tahmin eder. Schrödinger’in modelindeki temel değişikliklerden biri, elektronların çekirdeğin pozitif yükünden etkilenen bir dalga hareketi içinde seyahat ettiği varsayımıdır. Bu nedenle, bugün bahsettiğimiz orbitaller, Bohr’un önerdiği gibi sabit dairesel yollar yerine elektronların bulunma olasılığının en yüksek olduğu bulut benzeri alanlardır. Bir diğer kritik ayrım da Bohr’un enerji seviyelerinin —kabuklarının— daha küçük kategorilere —alt kabuklara ve orbitallere— bölünmesidir.