Orbitale

Entgegen dem in der Schule am meisten verwendeten Bohrschen Atommodell, das Elektronen eine Kreisbahn zuordnet ist die quantenmechanische Beschreibung von Elektronen deutlich passender. Dem Ganzen liegt der Welle-Teilchen Dualismus zugrunde, nachdem jedes Elementarteilchen sowohl Wellen-, als auch Teilchencharakter hat. So verhält sich Licht zwar wie eine Welle, kann aber auch das Verhalten eines Teilchens (Photon) haben. Das ist schwer vorstellbar und sollte einfach erstmal so hingenommen werden. Orbitale sind letztendlich eine Wahrscheinlichkeitsinterpretation des Aufenthaltsorts von Elektronen. Vorstellen kann man sich diese Aufenthaltsorte als eine Kugel (nur für s-Orbitale), bzw. allgemein als irgendein Volumen, dass dann mit 90 %iger Wahrscheinlichkeit das Elektron enthält. Die restlichen 10 % liegen außerhalb der Kugel.

Zur Beschreibung von Orbitalen und ihrer Form gibt es verschiedene Zahlen, die Quantenzahlen. Elektronen müssen sich mindestens immer in einer Quantenzahl unterscheiden.

Hauptquantenzahl n

Die Hauptquantenzahl n = 1, 2, 3, … bezeichnet die Schale, zu der das Elektron gehört und ist mehr oder weniger analog zu den Schalen des Bohrschen Atommodells. Höhere Schalen sind weiter entfernt vom Atomkern und haben höhere Energien. Die Anzahl an Orbitalen pro Schale ist n² und in jedes Orbital passen maximal zwei Elektronen, die sich in ihrem Spin unterscheiden (Upspin oder Downspin).

Nebenquantenzahl l

Die Nebenquantenzahl l = 0, 1, 2, …, (n-1) beschreibt den Bahndrehimpuls des Orbitals und dadurch die Form des Orbitals, die für einen Orbitaltyp (l=0 => s, l=1 => p, l=2 => d, l=3 => f) bei allen Hauptquantenzahlen gleich bleibt. Die Form des Orbitals lässt sich nur schwer zu Papier bringen und kann bei Bedarf selbst recherchiert werden. Einfach beschrieben sind s-Orbitale kugelsymmetrisch, p-Orbitale sehen wie Hanteln aus, d-Orbitale wie zwei gekreuzte Hanteln und f-Orbitale haben eine nur schwer beschreibbare Form.

Magnetquantenzahl m_l

Die Magnetquantenzahl m_l = -l, -(l-1), …, 0, …, (l-1), l beschreibt die Neigung des Orbitals, die es bei Vorliegen eines äußeren Magnetfelds einnimmt und ist abhängig von der Nebenquantenzahl l. Für die p-Orbitale ergibt sich also m_l = -1, 0, 1 wodurch die p-Orbitale in p_x, p_y und p_z unterteilt werden. Die Buchstaben x, y und z stehen dabei für die räumliche Achse, entlang der die Orbitale liegen.

Spinquantenzahl s

Da zwei Elektronen quantenmechanisch nicht gleich sein können, wird die Spinquantenzahl eingeführt. Diese beschreibt die „Drehrichtung“ eines Elektrons um seine Achse entgegen oder mit dem Uhrzeigersinn und nimmt die Werte s = -0,5 oder s = 0,5 ein. Zwei Elektronen im selben Orbital unterscheiden sich also durch ihren Spin.