普通化學/電子層和軌道

電子層

每個電子層都細分為亞層，亞層由軌道組成，每個軌道上的電子具有不同的角動量。每個亞層中的軌道都有一個特徵形狀，並用字母命名。它們是：s、p、d 和 f。在一個單電子原子（如 H、He⁺、Li⁺² 等）中，特定電子層內每個軌道的能量是相同的。然而，當存在多個電子時，它們會相互作用並使軌道分裂成略微不同的能量。字母 s、p、d 和 f 指定了亞層（角量子數 l），軌道由磁量子數 m 指定。角量子數和磁量子數分別與電子的角動量的幅度和方向有關。在任何特定亞層中，軌道的能量取決於 s、p、d 和 f 軌道的角動量，按照從最低到最高的能量順序排列。

此影像顯示了軌道（以及用於鍵合的雜化軌道和一個樣本電子構型，將在後面解釋）。

s 亞層

原子中最簡單的亞層是 1s 亞層。它沒有徑向或角節點：1s 亞層只是一個電子密度的球體。節點是電子位置機率為零的點。與所有亞層一樣，徑向節點的數量隨著主量子數的增加而增加（即 2s 軌道有一個徑向節點，3s 有兩個，依此類推）。因為角動量量子數是 0，所以磁量子數只有一個選擇 - 每個電子層只有一個 s 軌道。s 軌道可以容納兩個電子，只要它們具有不同的自旋量子數。s 軌道參與鍵合。

${\begin{matrix}n&=&1,2,3,...\\l&=&0\\m_{l}&=&0\\m_{s}&=&+{\frac {1}{2}},-{\frac {1}{2}}\\\end{matrix}}$

p 亞層

從第二層開始，有一組 p 亞層。限制在 p 亞層中的電子的角動量量子數是 1，因此每個軌道都具有一個角節點。磁量子數有 3 個選擇，這表明有 3 個不同方向的 p 亞層。最後，每個軌道可以容納兩個電子（自旋相反），使 p 軌道總容量為 6 個電子。

${\begin{matrix}n&=&2,3,4,...\\l&=&1\\m_{l}&=&-1,0,1\\m_{s}&=&+{\frac {1}{2}},-{\frac {1}{2}}\\\end{matrix}}$

p 亞層的軌道都具有沿著每個軸指向的兩個電子密度瓣。每個軌道沿其軸是對稱的。p 亞層的軌道符號表明它指向哪個軸，例如，p_x 沿 x 軸指向，p_y 沿 y 軸指向，p_z 沿 z 軸上下指向。請注意，雖然 p_z 對應於 m_l = 0 軌道，但 p_x 和 p_y 實際上是 m_l = -1 和 m_l = 1 軌道的混合物。p 軌道是簡併的 - 它們都具有相同的能量。p 軌道經常參與鍵合。

2px	2py	2pz

d 亞層

第一組 d 軌道是 3d 組。角動量量子數是 2，因此每個軌道都有兩個角節點。磁量子數有 5 個選擇，這導致 5 個不同的 d 軌道。每個軌道可以容納兩個電子（自旋相反），使 d 軌道總容量為 10 個電子。

${\begin{matrix}n&=&3,4,5,...\\l&=&2\\m_{l}&=&-2,-1,0,1,2\\m_{s}&=&+{\frac {1}{2}},-{\frac {1}{2}}\\\end{matrix}}$

需要注意的是，除了d_z2軌道有兩個相對的瓣和一個環狀的電子密度外，所有d軌道都有四個電子密度瓣。d軌道可以進一步細分為兩個子集。d_x2-y2和d_z2軌道都直接指向x，y和z軸，形成一個**e_g**子集。另一方面，d_xy，d_xz和d_yz軌道的瓣都排列在象限中，在軸上沒有電子密度。這三個軌道形成一個**t_2g**子集。在大多數情況下，d軌道是**簡併的**，但有時它們會分裂，e_g和t_2g子集會有不同的能量。**晶體場理論**預測並解釋了這一現象。d軌道有時參與成鍵，特別是在無機化學中。

f 子層

第一組f軌道是4f子層。有7個可能的磁量子數，所以有7個f軌道。它們的形狀相當複雜，在化學學習中很少出現。由於每個軌道可以容納兩個電子（自旋相反），所以有14個f電子。

${\begin{matrix}n&=&4,5,6,...\\l&=&3\\m_{l}&=&-3,-2,-1,0,1,2,3\\m_{s}&=&+{\frac {1}{2}},-{\frac {1}{2}}\\\end{matrix}}$