Quỹ đạo nguyên tử

Trong lý thuyết nguyên tử và cơ học lượng tử, quỹ đạo nguyên tử (tiếng Anh: atomic orbital, viết tắt là AO), còn được gọi là obitan nguyên tử, đám mây nguyên tử, hay vùng không gian nguyên tử, là một hàm số miêu tả trạng thái dạng sóng của electron trong nguyên tử. Hàm này có thể dùng để tính xác suất tìm thấy bất kỳ electron nào trong một khu vực cụ thể xung quanh hạt nhân nguyên tử. Thuật ngữ quỹ đạo nguyên tử cũng có thể chỉ vùng hoặc không gian vật lý nơi có thể ước lượng sự hiện diện của electron, theo hình thức toán học cụ thể của quỹ đạo.

Mặc dù sự so sánh với các hành tinh quay quanh Mặt Trời có vẻ hợp lý, nhưng các electron không thể được hình dung như những hạt rắn, vì vậy chúng được gọi là quỹ đạo nguyên tử. Ngày trước, người ta tưởng rằng quỹ đạo nguyên tử tương tự như quỹ đạo hình elip của các hành tinh. Một cách mô tả chính xác hơn là một đám bụi lớn, thường có hình dạng bất thường (tập hợp các electron), phân bố quanh một hành tinh nhỏ hơn nhiều (hạt nhân nguyên tử). Quỹ đạo nguyên tử chỉ được hình dung như hình dạng của khí quyển khi chỉ có một electron trong nguyên tử. Khi nhiều electron được thêm vào một nguyên tử, sự phân bổ thêm electron làm đầy không gian xung quanh hạt nhân, tạo thành một khối hình cầu với xác suất tìm thấy electron ngày càng lớn.

Mỗi quỹ đạo trong nguyên tử được xác định bởi một tập hợp ba số lượng tử n, ℓ, và m_l, tương ứng với năng lượng của electron, mô men động lượng của nó và thành phần mô men động lượng (số lượng tử từ). Thay vì số lượng tử từ, các quỹ đạo thường được 'dán nhãn' bằng các đa thức hàm điều hòa liên quan (ví dụ: xy, x − y). Mỗi quỹ đạo như vậy có thể chứa tối đa hai electron, mỗi electron có dự đoán spin riêng của nó $m_s$. Các tên đơn giản như quỹ đạo s, quỹ đạo p, quỹ đạo d và quỹ đạo f dùng để chỉ các quỹ đạo với số lượng tử mô men động lượng ℓ = 0, 1, 2 và 3. Những tên gọi này, cùng với giá trị của n, được dùng để mô tả cấu hình electron của nguyên tử. Chúng bắt nguồn từ cách mô tả của các nhà quang phổ học đầu tiên về một số vạch quang phổ của kim loại kiềm là sharp, principal, diffuse, và fundamental. Các quỹ đạo với ℓ > 3 tiếp tục theo thứ tự chữ cái (g, h, i, k,...), bỏ chữ j vì một số ngôn ngữ không phân biệt giữa chữ 'i' và 'j'.

Khoảng năm 1920, trước khi cơ học lượng tử hiện đại và quy tắc Klechkovsky được phát triển, nguyên tử đã được hình dung như các cặp electron sắp xếp theo mô hình số lẻ (1, 3, 5, 7,...), được Niels Bohr và các nhà nghiên cứu khác gợi ý, có phần tương tự như các quỹ đạo nguyên tử trong cấu hình electron của các nguyên tử phức tạp. Trong toán học của vật lý nguyên tử, khái niệm này được dùng để đưa các hàm electron của hệ thống phức tạp vào mối liên hệ với sự đơn giản của quỹ đạo nguyên tử. Mặc dù mỗi electron trong một nguyên tử đa electron không bị giới hạn trong một hoặc hai quỹ đạo nguyên tử, nhưng vẫn có hàm sóng lượng tử có thể bị phá vỡ trong quỹ đạo nguyên tử.

Khái niệm chính trong cơ học lượng tử

Trong cơ học lượng tử, trạng thái của một nguyên tử, tức là các trạng thái riêng của nguyên tử Hamilton, được mở rộng thành tổ hợp tuyến tính của các hàm electron riêng biệt theo nguyên tắc phản xạ. Những thành phần trong không gian của các hàm electron riêng biệt được gọi là quỹ đạo nguyên tử. (Khi xét đến spin, thuật ngữ khác là quỹ đạo nguyên tử spin).

Trong vật lý nguyên tử, các vạch quang phổ nguyên tử phản ánh sự chuyển đổi (bước nhảy lượng tử) giữa các trạng thái lượng tử của nguyên tử. Các trạng thái này được ký hiệu bằng tập hợp số lượng tử được tổng hợp trong biểu tượng thuật ngữ và thường liên quan đến cấu hình đặc biệt của electron.

Lịch sử

Thuật ngữ 'orbital' được Robert S. Mulliken sáng tạo vào năm 1932, là viết tắt của hàm sóng của một electron. Niels Bohr đã đưa ra lý thuyết vào khoảng năm 1913 rằng các electron có thể quay quanh hạt nhân compact với mô men động lượng cố định. Mô hình của Bohr là sự cải tiến dựa trên lý thuyết năm 1911 của Ernest Rutherford. Nhà vật lý Nhật Bản Hantaro Nagaoka đã đưa ra giả thuyết về quỹ đạo (orbit-based hypothesis) cho hành vi của electron từ năm 1904. Những lý thuyết này dựa trên các quan sát mới, từ những hiểu biết đơn giản đến những mô hình chính xác và phức tạp hơn. Việc giải thích hành vi của các 'quỹ đạo' electron là một trong những yếu tố chính thúc đẩy sự phát triển của cơ học lượng tử.

Mức năng lượng orbital

Mỗi orbital có một mức năng lượng đặc trưng. Các electron trong mỗi orbital có mức năng lượng xác định, gọi là mức năng lượng của orbital nguyên tử. Các electron trên các orbital khác nhau thuộc cùng một phân lớp có mức năng lượng giống nhau.

Liên hệ với nguyên lý bất định

• Nguyên tử
• Phân tử
• Electron
• Hóa học lượng tử
• Orbital phân tử

Ghi chú

Liên kết bên ngoài

• Hiện tượng lai hoá của các orbital nguyên tử