Gli atomi sono composti da un nucleo pesante circondato da elettroni leggeri. Il comportamento degli elettroni è governato dalle regole della meccanica quantistica. Tali regole consentono agli elettroni di occupare regioni specifiche chiamate orbitali. Le interazioni degli atomi sono quasi esclusivamente attraverso i loro elettroni più esterni, quindi la forma di quegli orbitali diventa molto importante. Ad esempio, quando gli atomi vengono avvicinati l'uno all'altro, se i loro orbitali più esterni si sovrappongono, possono creare un forte legame chimico; quindi una certa conoscenza della forma degli orbitali è importante per comprendere le interazioni atomiche.
Numeri quantici e orbitali

I fisici hanno trovato conveniente usare la stenografia per descrivere le caratteristiche degli elettroni in un atomo. La stenografia è in termini di numeri quantici; questi numeri possono essere solo numeri interi, non frazioni. Il numero quantico principale, n, è correlato all'energia dell'elettrone; poi c'è il numero quantico orbitale, l, e il numero quantico del momento angolare, m. Esistono altri numeri quantici, ma non sono direttamente correlati alla forma degli orbitali. Gli orbitali non sono orbite, nel senso di essere percorsi attorno al nucleo; invece, rappresentano le posizioni in cui è più probabile trovare l'elettrone.
S Orbitals

Per ogni valore di n, esiste un orbitale in cui sia l che m sono uguali a zero. Quegli orbitali sono sfere. Più alto è il valore di n, più grande è la sfera - cioè, più è probabile che l'elettrone si trovi più lontano dal nucleo. Le sfere non sono ugualmente dense dappertutto; sono più simili a conchiglie nidificate. Per ragioni storiche, questo si chiama orbitale. A causa delle regole della meccanica quantistica, gli elettroni a energia più bassa, con n \u003d 1, devono avere sia l che m uguali a zero, quindi l'unico orbitale che esiste per n \u003d 1 è l'orbitale s. L'orbitale esiste anche per ogni altro valore di n.
P Orbitals

Quando n è più grande di uno, si aprono più possibilità. L, il numero quantico orbitale, può avere qualsiasi valore fino a n-1. Quando l è uguale a uno, l'orbitale è chiamato orbitale p. Gli orbitali P sembrano un po 'come dei manubri. Per ogni l, m va da positiva a negativa in incrementi di uno. Quindi, per n \u003d 2, l \u003d 1, m può essere uguale a 1, 0 o -1. Ciò significa che ci sono tre versioni del p orbitale: una con il manubrio su e giù, un'altra con il manubrio da sinistra a destra e un'altra con il manubrio ad angolo retto rispetto ad entrambi. Gli orbitali P esistono per tutti i principali numeri quantici maggiori di uno, sebbene abbiano una struttura aggiuntiva man mano che n aumenta.
D Orbitali

Quando n \u003d 3, allora posso uguagliare 2 e quando l \u003d 2, m può essere uguale a 2, 1, 0, -1 e -2. Gli orbitali l \u003d 2 sono chiamati d orbitali e ce ne sono cinque diversi corrispondenti ai diversi valori di m. Anche l'orbitale n \u003d 3, l \u003d 2, m \u003d 0 sembra un manubrio, ma con una ciambella al centro. Gli altri quattro orbitali D sembrano quattro uova impilate all'estremità in uno schema quadrato. Le diverse versioni hanno solo le uova che puntano in direzioni diverse.
Orbitali F

Gli orbitali n \u003d 4, l \u003d 3 sono chiamati orbitali f, e sono difficili da descrivere. Hanno molteplici funzionalità complesse. Ad esempio, n \u003d 4, l \u003d 3, m \u003d 0; m \u003d 1; e m \u003d -1 gli orbitali sono di nuovo a forma di manubri, ma ora con due ciambelle tra le estremità del bilanciere. Gli altri valori di m sembrano un po 'come un fascio di otto palloncini, con tutti i loro nodi legati insieme al centro.
Visualizzazioni

La matematica che governa gli orbitali degli elettroni è piuttosto complessa, ma ci sono molte risorse online che forniscono realizzazioni grafiche dei diversi orbitali. Questi strumenti sono molto utili per visualizzare il comportamento degli elettroni attorno agli atomi.