נוסח השאלה המלא: מהם מסלולי האלקטרונים באורביטלים שאינם מסוג S (למשל אורביטל P) האם הם מעגליים? ציפי

ראשית הסבר קצרצר על האורביטלים האלקטרוניים: לפי תורת הקוונטים, האלקטרון (כמו כל חלקיק אחר) יכול להחשב גם כגל וגם כחלקיק. עבור כל גל, אפשר לפתח משוואה מתמטית שמתארת את הגל (דוגמא למשוואת גל היא הפונקציה "סינוס" - שמתארת גל מחזורי פשוט). משוואת הגל של כל חומר נקראת משוואת שרדינגר (על שם המדען שהגה אותה) והיא מחושבת על סמך שיקולים של מסה, מטען חשמלי, אנרגיות פוטנציאליות וקינטיות ומספר הנחות יסוד של תורת הקוונטים. הערך של הפונקציה המתקבלת מפתרון משוואת שרדינגר (יותר מדוייק: הערך של בחזקת 2) הוא מדד הסתברותי להימצאות החלקיק, כלומר הוא מראה מה הסיכוי שחלקיק מסויים ימצא במקום מסויים.
כאשר פתרו את משוואת שרדינגר עבור אלקטרון באטום, מצאו סידרה של פתרונות, כלומר סידרה של משוואות, כל פתרון מהווה אורביטל ("מסלולון") אפשרי לאלקטרון, באטומים שונים האלקטרונים מתאכלסים באורביטלים שונים על פי הסדר האנרגטי שלהם (האורביטלים היותר יציבים מתאכלסים ראשונים).
לשאלתך: בצורה מפתיעה, רוב המסלולים (למעשה כולם פרט לסוג הראשון) אינם מעגליים. אולם יש לזכור כי עבור כל משפחה/סידרה של אורביטלים (ראי המשפחות למטה) האנרגיה שווה, ובמצב נדיר של אטום בודד האלקטרון יכול לעבור מאורביטל לאורביטל בתוך המשפחה, ככה שבממוצע הצורה הכללית היא כן כדורית. עיקר ההשפעה של צורת האורביטלים על הכימיה של האטומים היא כאשר האטום מקובע: בתוך מולקולה או בגביש (שהם המצבים הנפוצים בהם נמצאים אטומים בעולם).
כמו-כן, יש לדייק במונחים – זה לא בדיוק מסלולים, כי לא ברור איך האלקטרון נע ממקום למקום בתוכם, יותר מדוייק להגדיר את צורת האורביטלים כמעין ענן הסתברותי להמצאותו של האלקטרון בשטחו.
ובכן, האורביטל הראשון – מסוג s, הוא פשוט כדורי, שלושת האורביטלים הבאים, מסוג p נראים כך:


אורביטלי p, שימו לב שיש זווית של 90 מעלות בין האורביטלים.

ענני האלקטרונים בסידרת חמשת האורביטלים הבאה, d, נראים עוד יותר מוזר:

 

ושבעת האורביטלים מסוג f, נראים ככה:


(התמונות עובדו מתוך וויקיפדיה)

(הצבעים בתמונות מציינים אם המשוואה חיובית או שלילית באיזור מסויים, אבל זה לא משנה, כי את צפיפות האלקטרונים מחשבים על ידי העלאת המשוואה בריבוע, כך שהאלקטרון נמצא בכל שטח הפונקציה)

נשאלת השאלה, האם יש ראיות בפועל לתיאוריה הזאת (הרי לא ניתן לראות מסלולים של אלקטרונים)? התשובה היא כן, ישנם הרבה מאוד ראיות לנכונות התיאוריה, אתן דוגמא אחת: התאוריה של לואיס (שלומדים בבית הספר התיכון) צופה שהזוית במולקולות H2S ו PH3, תהייה של כ- 109.5o, בדיוק כמו במולקולות H20 ו NH3, זווית של טטרהדר המיצגת מרחק מקסימלי בין האטומים, בפועל הזוויות שנמדדו הן 92.1 ו 93.5o, - כפי שצופה תורת הקוונטים – כי הקשר נוצר באמצעות אורביטלי p, אשר הזווית ביניהם היא 90o, ולא 109o.

כהערת אגב, נעיר כי התיאוריה צופה שכל אורביטל יכול לאכלס 2 אלקטרונים. אם נתבונן במערכה המחזורית רואים שהיא מחולקת לקבוצות של טורים: 2 טורים (בהם אורביטלי s, מאוכלסים אחרונים), 6 טורים (אורביטלי p מאוכלסים אחרונים), אחר-כך מתכות המעבר – 10 טורים במרכז הטבלא (בהם אורביטלי d מאוכלסים) ולסיום – 14 טורים נפרדים – בהם אורביטלי f – הם המאוכלסים אחרונים. כלומר – תיאוריית האורביטלים חוזה ומסבירה לחלוטין את המבנה של הטבלא המחזורית של היסודות (עוד ראייה לנכונותה).

הערת אגב נוספת קשורה לתוצאה מפתיעה מבחינת תפיסתית: שימו לב שהאורביטלים מחולקים למספר חלקים, על פי החישובים מסתבר שבין החלקים ישנם איזורים (מכונים nodes) בהם האלקטרון לא נמצא לעולם. זאת תופעה שאנו בעולם הקלאסי לא מכירים – האלקטרון מצליח איכשהו לקפץ בין איזורים שונים – בלי להימצא כלל בדרך שביניהם!  

מאת:ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.