原子轨道

在原子理论和量子力学中，原子轨道是描述原子中电子的位置和波状行为的函数。 此函数可用于计算在原子核周围的任何特定区域找到原子的任何电子的概率。 正如轨道的特定数学形式所预测的那样，术语原子轨道也可以指可以计算出电子存在的物理区域或空间。

原子中的每个轨道都由三个量子数 n、ℓ 和 ml 的一组值来表征，它们分别对应于电子的能量、角动量和角动量矢量分量（磁量子数）。 除了磁量子数，轨道通常由相关调和多项式（例如，xy、x2 − y2）标记。 每个这样的轨道最多可以被两个电子占据，每个电子都有自己的自旋投影 m s {\displaystyle m_{s}} 。 简单名称 s 轨道、p 轨道、d 轨道和 f 轨道分别指代角动量量子数 ℓ = 0、1、2 和 3 的轨道。 这些名称与 n 的值一起用于描述原子的电子配置。 它们源自早期光谱学家对某些系列的碱金属光谱线的描述，如尖锐的、主要的、漫射的和基本的。 ℓ > 的轨道 3 按字母顺序继续（g、h、i、k、...），省略 j，因为某些语言不区分字母 i 和 j。

原子轨道是原子轨道模型（或电子云或波力学模型）的基本组成部分，这是一种现代框架，用于可视化物质中电子的亚微观行为。 在这个模型中，原子的电子云可以看作是在一个电子构型中建立起来的（近似），该电子构型是更简单的类氢原子轨道的产物。 元素周期表各部分中 2、6、10 和 14 个元素块的重复周期性自然产生于分别占据一整套 s、p、d 和 f 轨道的电子总数，尽管对于更高的 量子数 n 的值，特别是当原子带正电荷时，某些子壳的能量变得非常相似，因此它们被电子填充的顺序（例如，Cr = [Ar]4s13d5 和 Cr2+ = [Ar]3d4) 只能在某种程度上任意合理化。

随着量子力学的发展和实验发现（如电子的双缝衍射），人们发现围绕原子核运行的电子不能完全描述为粒子，而需要用波粒二象性来解释。 从这个意义上说，电子具有以下性质：

波状特性：

• 电子不像行星绕太阳运行那样绕原子核运行，而是以驻波形式存在。 因此，电子可以吸收的最低能量类似于弦上波的基频。 更高的能量状态类似于该基频的谐波。
• 电子永远不会处于单点位置，尽管可以从电子的波函数中找到在单点与电子相互作用的概率。 电子的电荷就像在空间中以连续分布被涂抹一样，在任何一点都与电子波函数的平方幅度成正比。

类粒子特性：

• 绕原子核运行的电子数只能是整数。
• 电子像粒子一样在轨道之间跳跃。 例如，如果一个光子撞击电子，结果只有一个电子改变状态。
• 电子保留类似粒子的特性，例如：每个波态都具有与其电子粒子相同的电荷。 每个波态都有一个独立的自旋（自旋向上或向下旋转），具体取决于其叠加。

因此，电子不能简单地描述为固体粒子。 一个类比可能是一个巨大且通常形状奇特的大气层（电子），分布在一个相对较小的行星（原子核）周围。 原子轨道仅在存在一个电子时准确描述了这种大气的形状。 当添加更多的电子时，额外的电子倾向于更均匀地填充原子核周围的空间体积，因此所产生的集合（电子云）倾向于描述电子位置的大致球形概率区域，因为 不确定性原理

原子轨道可以用正式的量子力学语言更精确地定义。 它们是电子通过原子核的电场束缚在原子上的薛定谔方程的近似解。 具体来说，在量子力学中，原子的状态，即原子 Hamilt 的本征态。