Orbitale

Darstellung der Aufenthaltswahrscheinlichkeits- dichte der ersten (2 Elektronen) und zweiten (8 Elektronen),[1]

Wie in der Unschärferelationstheorie von Werner Heisenberg (Das unfassbare Elektron) beschrieben, ist der genaue Aufenthaltsort eines Elektrons nicht genau bestimmbar. Elektronen können nicht nur als Teilchen sondern auch als stehende Welle beschrieben werden (Welle-Teilchen-Dualismus). Aus der Schrödingergleichung, 1926 von Erwin Schrödinger hergeleitet, geht diese Wellenbeschreibung hervor. Mit der Schrödingergleichung kann die Wahrscheinlichkeit ein Elektron im Raum anzutreffen, berechnen werden. Durch diese Wahrscheinlichkeit kann jedem Elektron ein Raum definiert werden, indem es sich aufhält. Genau diese Räume nennt man Orbitale.

Quantenzahlen

Orbitale sind den folgenden Quantenzahlen zugeordnet:

Hauptquantenzahl n

ist gleich zu verstehen wie die "Schalen" im Bohr'schen Atommodell. Sie beschreibt zudem die Grösse eines Orbitals. Je grösser n, desto grösser das Orbital.

n = {1,2,3,4,...}

Nebenquantenzahl l

ist gleich zu verstehen wie die "Unterschalen" im Bohr'schen Atommodell. Sie gibt zusätzlich die Form eines Orbitals an. Je grösser l, desto komplizierter die Form des Orbitals.

l = {0,…,n-1}

magnetische Quantenzahl m

Beschreibt die Orientierung eines Orbitals.

(wird im Unterricht von R.D. nicht erläutert)

Spinquantenzahl p

Beschreibt den Spin eines Elektron im Orbital

p = {1/2, -1/2}

Zwei Elektronen gleichen Atoms stimmen nie in allen Quantenzahlen überein.

Formen

s-Orbital

p-Orbitale

d-Orbitale

f-Orbitale

Orbital	Nebenquanzenzahl l	Form	Maximale Anzahl Orbitale (2l+1)	Maximale Anzahl Elektronen
s	0	1 Kugel	1	2
p	1	3 Hanteln	3	6
d	2	4 Kreuzende Dopelhanteln, 1 Doppelschnuller	5	10
f	3	4 Rosetten, 3 Doppelschnuller	7	14

Spin

Frage aus dem Unterricht von R.D.: Wieso kann ein Orbital zwei Elektronen haben? Nach dem Coulombgesetz dürfte ein Orbital nur eines haben.

Drehende, geladene Körper erzeugen ein Magnetfeld. Man stelle sich das Elektron als geladenes Teilchen bzw. als Kugel vor. Diese Kugel hat 2 Drehachsen, im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn. Diesen Drehachsen ist je einen Spinzustand (+1/2 oder -1/2) zugeordnet. Elektronen mit gleichem Spinzustand stossen sich ab, solche mit unterschiedlichem Spinzustand ziehen sich an. Haben nun zwei Elektronen in einem Orbital verschiedene Spinzustände, kann die Abstoßung mit der magnetischen Anziehung überwunden werden.

Spin	Reaktion	Spinzahl p
gleich	Abstossung	(+1/2, +1/2),(-1/2, -1/2)
verschieden	Anziehung	(+1/2, -1/2),(-1/2, +1/2)

Experiment Geisterstunde aka Fluoreszenz/Phosphoreszenz

Fluoreszenz

Phosphoreszenz

Experiment: Zwei Flüssigkeiten werden im Dunkeln mit UV-Licht beleuchtet. Beide Flüssigkeiten leuchten. Das Licht wird abgestellt. Eine der beiden Flüssigkeiten leuchtet weiter.

Fluoreszenz

Durch das UV-Licht (Lichtenergie) können die Elektronen in ein höheres Energieniveau wechseln. Als Folge davon befindet sich danach das Elektron im nächsthöheren leeren Orbital. Wenn es dann wieder in das ursprüngliche Orbital zurückspringt, wird Energie in Form von Licht abgegeben -> Leuchten. Da das Elektron durchschnittlich 10^-8s im höheren Orbital verweilt, leuchtet der Stoff so lange wie es UV-Licht hat.

Phosphoreszenz

Auch hier befindet sich das Elektron nach der Anregung durch UV-Licht im nächsthöheren leeren Orbital. Zusätzlich ändert es auch noch seinen Spinzustand. Wegen dem Pauli-Prinzip kann dieses Elektron nicht mehr in sein ursprüngliches Orbital zurück, denn es können nur zwei Elektronen in einem Orbital sein, welche verschiedene Spinzustände aufweisen. Irgendwann ändert der Spinzustand aber wieder, und das Elektron springt in sein ursprüngliches Orbital zurück. Wie oben schon erwähnt, wird dadurch Lichtenergie abgegeben. Aufgrund des anderen Spinzustands sollten die Elektronen auch dann im höheren Orbital bleiben, wenn es kein UV-Licht mehr hat. Viele Elektronen springen also erst später wieder herunter. Dadurch leuchtet der Stoff auch dann noch, wenn er nicht mehr mit UV-Licht bestrahlt wird.

Quellen

Notizen aus dem Unterricht von R.D.

Wikipedia/Orbital [27.05.2010]

Bilder ([2]

Weblinks

Swisseduc ([3]) – Unterrichtsserver für Chemie

Mediawiki Hilfeseite ([4])