Elektronhéjak, elektronalhéjak és elektronpályák

A korábbi videókból már megtanultuk, hogy az atomok valójában további, még apróbb részecskékből állnak, ami elképesztő, tekintve, hogy az atomok maguk is elképzelhetetlenül kicsik. Ezek a részecskék a protonok, amelyeknek pozitív töltésük van, a neutronok, amelyek semlegesek, vagyis nincs töltésük, és a negatív töltésű elektronok. A fizikusok és a kémikusok egy évszázadon keresztül próbáltak rájönni, hogy ezek hogyan helyezkednek el, és arra jutottak, hogy a pozitív töltés az atom középpontjába koncentrálódik. Valójában a tömeg nagy része, vagyis a protonok és a neutronok a központi részben találhatók, így az első atommodellek a protonokat és a neutronokat a középpontba helyezték. Nézzük például a héliumatomot. A héliumatom atommagjában két proton van, és egy héliumatomban jellemzően két neutron is található, tehát az atommag valahogy így nézhet ki. Kezdetben a fizikusok és kémikusok azt gondolták: - Ha a protonok pozitív töltésűek, és az elektronok negatívak, akkor ezek vonzzák egymást. Az ellentétes előjelek, ellentétes töltések vonzzák egymást. Az azonos töltések taszítják egymást. Tehát lehet, hogy a negatív töltésű elektron úgy kering az atommag körül, mint ahogy a bolygók keringenek a napjuk körül. Valahogy így keringhetnek. Az elektronnak van olyan pályája, ami valahogy így néz ki, és egy másik elektron, mivel a semleges héliumatomnak két elektronja és két protonja van, tehát a másik elektron valahogy így keringhet. Próbálok ellipszist rajzolni, vagy kör alakú pályát. Tehát feltételezzük, hogy az elektronok pályákon vannak. Kiderült azonban, hogy ez nem teljesen így van. Az elektronok nem ilyen jól meghatározott kör alakú vagy elliptikus pályákon keringenek. Bármely adott pillanatban nem biztos, hogy épp itt van. Lehet itt, de kis eséllyel lehet itt is, vagy éppenséggel lehet emitt, valamennyi eséllyel itt, vagy esetleg emitt. Ahhoz, hogy az elektronok valószínűsíthető helyét meg tudják határozni, a fizikusok és a kémikusok bevezették a pályák fogalmát. Ennek a legjobb módja, ha elképzelünk egy hidrogénatomot és egy elektronpálya-térképet, a hidrogénatomot mint legegyszerűbb atomot, illetve a hidrogénatom teljes atompálya-térképét. A hidrogénatomnak, illetve elsősorban a Földön megtalálható hidrogén jellemző izotópjának nincs neutron az atommagjában. Egyetlen proton van a középpontjában. A semleges hidrogénatomban az egyetlen elektron ahelyett, hogy ilyen pályán keringene az egyetlen proton körül, igazából csak találgathatjuk róla, hogy éppen hol, merre van. Lehet itt, vagy lehet itt bármely adott pillanatban, vagy lehet ott bármely adott pillanatban, vagy akár a képernyőn kívül is néha, de nagy valószínűség szerint az atommag és a többi részecske körüli meghatározott térben lesz. El lehet képzelni, hol lehet nagyobb valószínűséggel, ha azt mondjuk: – Úgy néz ki, hogy az idő 90%-ában egy ehhez hasonló gömbtérben lesz. De igazából lehet itt, lehet ott, lehet amott, lehet ott, lehet amott, lehet itt erre, lehet bárhol. Csak azt tudjuk megmondani, hol tartózkodik az idő 90%-ában. Így tudjuk ábrázolni. Érdekes kérdés, hogy mi történik, ha az elektron kap egy kis energiát. Mit is jelent az energia? Ha a keringő bolygókra, rakétákra, vagy műholdakra gondolunk, ha ezeknek több energiájuk lenne, ha egy kis lökést kapnának, nagyobb pályájuk lehetne, valahogy így. De a kvantummechanikában a dolgok nem fokozatosan történnek. Az emberek néha azt hiszik, a kvantum azt jelenti, hogy kicsi, vagy valami ilyesmi. De nem igazából azt jelenti, hogy önálló adagokról beszélünk. A kvantumfizikában és a kvantumkémiában, ha egy elektron egy bizonyos mennyiségű energiát kap, akkor ahelyett, hogy az idő 90%-ában az első héjon, az első energiaszinten tartózkodna, itt lesz található, a következő energiaszintre ugorhat, vagy a következő héjra. Ettől kezdve az idő több mint 90%-ában ezen a héjon tartózkodik. Ha megfelelő energialöketet kap – még egyszer, egy pici nem elég, eleget kell adni, hogy a következő energiaszintre ugorjon – akkor ilyen furcsa formákat hozhat létre, ami kézisúlyzókra hasonlít, ahol az idő 90%-ában úgy tartózkodik, mintha egy atompályán lenne, ami felveszi ezt a súlyzóformát. Vízszintesen rajzoltam. Függőlegesen is lehet. De lehetne a sík előtti és mögötti térben is. Ha azon gondolkodsz, honnan erednek ezek a formák – és hogyha még több energiát közölsz, az elektronpályák egyre érdekesebb formáit kaphatod –, gondolj csak az állóhullámokra. Így tudnám legjobban bemutatni, hogy kvantumszinten, igazából bármilyen szinten, de különösen kvantumszinten, az elektronoknak lehet részecske- és hullámtermészete is. Képzelj el egy állóhullámot, mint amikor fogsz egy kötelet és megrázod, ehhez hasonló állóhullámokat kaphatsz. Ha megnézünk egy síkszerkezetű hártyát, amit benyomok az egyik oldalon, itt, mintha dobolnék rajta, akkor ez a rész lefelé domborul, az pedig felfelé domborul. Térben gondolkodva ilyen súlyzóformát kapunk, és amikor több energiát adunk, egyre különlegesebb formákhoz jutunk. Csak hogy el tudd képzelni, hogy néznek ki az első pályák, ezek számítógéppel készültek, itt láthatod. A legkisebb energiájú elektron az úgynevezett s-héjon van, itt, amit 1s-nek nevezünk el, mert az első héjon van, ami legközelebb esik az atommaghoz. Még több energiával ez az elektron a második energiaszintre ugorhat, vagy a második héjra, illetve atompályára a második héjon, ami az alapértelmezett héj, amennyiben ennek a legkisebb az energiája a második héjon. Ez lesz a 2s atompálya. Ez megint csak egy gömb alakú atompálya, ami egy kicsit kijjebb található, mint a másik, első héj. Ha még több energiát közlünk, akkor még mindig a második héjon maradunk, de az egyik ilyen nagyobb energiájú atompályán, amit 2p atompályának nevezhetünk, az x tengely mentén. Ez pedig a 2p atompálya az y tengely mentén. Ezt vannak, akik 2px-nek is nevezik. Ezt pedig 2py-nak. Ez itt a sík előtti és mögötti rész, amit z-tengelynek is nevezhetünk. Tehát ez a 2pz, és így megyünk tovább. d-pálya van, ha a harmadik héjhoz érünk. A negyedik héjhoz érve f-pálya van. Eddig a hidrogénatomról beszéltünk. Ha még több energiát közlünk az elektronnal, vajon mi történik? Milyen lehetséges alakjuk lehet a síkban? Láthatod, hogy két elektronnal ez nem pont ugyanaz, de jó megközelítés. Elhelyezhetünk két elektront ezen az 1s atompályán, de gondolhatod, hogy ez a két elektron taszítani fogja egymást. Még egy elektron nem fér oda, így a harmadik elektron a 2s atompályára kerül. Nagyobb energiaszintre kerül, ahol két elektronnak van hely. Tehát összesen négy elektron fér el az 1s és 2s pályákon összesen. Az ötödik elektron az egyik ilyen p-pályára kerül. Még egyszer utoljára, csak hogy biztosan értsd az atompályák és a héjak elnevezését: először is, itt van a héj fogalma, és a héj szó helyett néha energiaszintet, energiaszinteket mondunk. Ezen az ábrán, illetve megjelenítésen berajzoltam az első héjat, majd berajzoltam a második héjat. Tehát ez itt egy héj. Ez itt egy másik héj. Néha találkozunk az alhéj elnevezéssel, alhéj, amit vannak, akik alszintnek hívnak, ami alatt s, p vagy d szinteket értenek, illetve a végén az f-szintet. És ha ezt bekarikázom, az első héjról beszélek. Az első héjnak csak egy alhéja van, ami az 1s alhéj, és az 1s alhéj egyetlen atompályájából áll. Még egyszer, ez az 1s atompálya. Tehát az első héj esetében a héj, alhéj és atompálya ugyanazt jelenti. A második héj azonban kicsit más lesz. Ha az alhéjakról beszélünk, a második héjon s és p alhéjak találhatók, tehát ez itt egy alhéj, és ez itt egy másik alhéj. Három atompálya tartozik a p alhéjhoz. Ezzel itt befejezem. A következő videóban különböző atomokat nézünk meg, és megvizsgáljuk az elektronszerkezetüket. Hol találhatók az elektronjaik? Mely héjakon, alhéjakon, vagy atompályákon?