Orbital atom

Orbital atom ialah satu fungsi matematik yang menerangkan perilaku seperti gelombang sama ada oleh sebuah elektron atau sepasang elektron dalam sesuatu atom.^[1] Fungsi ini boleh digunakan untuk mengira kebarangkalian untuk menemui mana-mana elektron sesuatu atom di dalam mana-mana kawasan tertentu di sekeliling nukleus atom. Istilah ini boleh juga merujuk kepada kawasan fizikal di mana elektron-elektron boleh dikira kewujudannya, seperti mana yang ditakrifkan oleh bentuk matematik orbital itu.^[2]

Bentuk-bentuk lima orbital atom: 1s, 2s, 2p_x, 2p_y, dan 2p_z. Warna-warna menunjukkan fasa fungsi gelombang. Ini adalah graf untuk fungsi-fungsi ψ(x, y, z) yang bergantung kepada koordinat satu elektron. Untuk melihat bentuk panjang fungsi-fungsi ψ(x, y, z)² yang menunjukkan kepadatan kebarangkalian dengan lebih terperinci, lihat graf untuk orbital d di bawah.

Setiap orbital di dalam atom dikhaskan oleh satu set nilai unik yang terdiri daripada tiga nombor kuantum, n, ℓ, dan m, yang masing-masing merujuk kepada tenaga, momentum sudut, dan komponen vektor momentum sudut. Mana-mana orbital boleh memiliki paling banyak dua elektron, setiap satu dengan nombor kuantum spinnya sendiri. Nama-nama ringkas orbital s, orbital p, orbital d dan orbital f masing-masing merujuk kepada orbital-orbital dengan nombor kuantum momentum sudut ℓ = 0, 1, 2 dan 3. Nama-nama ini, bersama dengan nilai untuk n, digunakan untuk menyatakan konfigurasi elektron. Ia diterbitkan daripada ciri-ciri garis spektroskopinya: sharp, principal, diffuse dan fundamental. Selepas itu, nama-nama orbital dinamakan mengikut urutan huruf (dengan huruf j dikecualikan).^[3][4]

Orbital atom adalah asas kepada model orbital atom (juga dikenali sebagai awan elektron atau model mekanik gelombang), satu rangka kerja moden untuk menggambarkan kelakuan submikroskopik elektron-elektron dalam jirim. Dalam model ini, awan elektron sebuah atom dengan banyak elektron boleh dilihat seperti ianya dihasilkan (dalam anggaran) dalam konfigurasi elektron yang merupakan produk orbital-orbital atom seperti hidrogen yang lebih ringkas. Keberkalaan berulang blok-blok dengan 2, 6, 10 dan 14 unsur di dalam jadual berkala muncul secara semula jadi daripada jumlah bilangan elektron yang menduduki set lengkap orbital s, p, d dan f.

Ciri-ciri elektron

Dengan pembangunan mekanik kuantum, elektron-elektron didapati tidak boleh diterangkan secara penuh sebagai zarah-zarah, tetapi perlu dijelaskan dengan kembaran zarah-gelombang. Dari segi ini, elektron memiliki sifat-sifat berikut:

Ciri-ciri seperti gelombang:

1. Elektron-elektron tidak mengelilingi nukleus atom seperti mana planet-planet mengelilingi matahari, sebaliknya wujud dalam bentuk gelombang pegun. Oleh itu, tenaga terendah yang mungkin dimiliki satu elektron adalah seakan-akan serupa dengan frekuensi asasi satu gelombang di atas satu tali. Keadaan tenaga lebih tinggi pula adalah serupa dengan harmonik-harmonik frekuensi asasi.
2. Elektron-elektron tidak pernah berada pada satu titik tunggal, walaupun kebarangkalian berinteraksi dengan elektron tersebut pada satu titik tunggal boleh didapati daripada fungsi gelombang elektron itu.

Ciri-ciri seperti zarah:

1. Sentiasa ada satu jumlah integer elektron mengelilingi nukleus.
2. Elektron-elektron melompat antara orbital-orbital dengan gaya seperti zarah. Contohnya, jika satu foton melanggar elektron-elektron ini, hanya satu elektron sahaja yang berubah keadaan disebabkan oleh foton itu.
3. Elektron-elektron mengekalkan sifat-sifat seperti zarah seperti: setiap keadaan gelombang mempunyai cas elektrik yang sama dengan satu zarah elektron. Setiap keadaan gelombang mempunyai spinnya yang tersendiri (spin atas atau spin bawah).

Oleh itu, elektron-elektron tidak boleh digambarkan sebagai zarah pejal dan tidak sama dengan planet-planet mengelilingi matahari. Tambahan pula, orbital atom dalam atom biasa langsung tidak menyamai gerakan planet mengelilingi matahari. Analogi yang lebih tepat adalah seperti "atmosfera" yang besar dan selalunya berbentuk aneh (elektron-elektron) yang tersebar di sekeliling "planet" yang agak kecil (nukleus). Orbital atom menggambarkan bentuk "atmosfera" ini dengan tepat hanya apabila terdapat satu elektron sahaja di dalam satu atom. Apabila lebih banyak elektron ditambah ke dalam satu atom, elektron-elektron tambahan ini cenderung untuk mengisi ruang di sekeliling nukleus atom secara lebih sekata, menyebabkan kumpulan akhirnya (yang biasanya dipanggil "awan elektron" sesuatu atom^[5]) cenderung secara umumnya ke arah zon kebarangkalian sfera yang menerangkan di mana satu elektron bole ditemui.

Takrifan mekanik kuantum formal

Orbital atom boleh ditakrifkan dengan lebih terperinci menggunakan bahasa mekanik kuantum formal. Secara spesifik, keadaan suatu atom (misalnya satu keadaan eigen Hamiltonian atom) dianggarkan dengan pengembangan (lihat pengembangan interaksi konfigurasi dan set asas) kepada kombinasi linear produk fungsi satu elektron yang diantisimetri (penentu Slater). Komponen-komponen ruang bagi fungsi-fungsi satu elektron ini dipanggil orbital atom.

Rujukan

1. Orchin, Milton; Macomber, Roger S.; Pinhas, Allan; Wilson, R. Marshall (2005). Atomic Orbital Theory (PDF).
2. Daintith, J. (2004). Oxford Dictionary of Chemistry. New York: Oxford University Press. ISBN 0-19-860918-3.
3. Griffiths, David (1995). Introduction to Quantum Mechanics. Prentice Hall. m/s. 190–191. ISBN 0-13-124405-1.
4. Levine, Ira (2000). Quantum Chemistry (ed. 5). Prentice Hall. m/s. 144–145. ISBN 0-13-685512-1.
5. Feynman, Richard; Leighton, Robert B.; Sands, Matthew (2006). The Feynman Lectures on Physics -The Definitive Edition, Vol 1 lect 6. Pearson PLC, Addison Wesley. m/s. 11. ISBN 0-8053-9046-4.