原子軌域（Atomic orbital）

原子軌域(Atomic orbital
高雄市立高雄高級中學化學科陳藝菁老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

1904年，日本物理學家Hantaro Nagaoka首次提出電子以類似環繞軌道（orbit）的方式，在原子內運轉的想法。到1913年，波耳主張：電子就像行星繞太陽一般，以固定的角動量，在繞著原子核的軌道上運行。直到1926年，量子力學發展後，才以量子力學（quantum mechanics）中波函數的概念，描述電子的行為。在量子力學中採用n、l、m三個量子數（quantum numbers）呈現空間中的波函數（wave functions），或以電子組態（electron configurations）指出電子所佔有的軌域（orbital）。量子力學中，以「軌域」取代「軌道」這個名詞，是因為當電子不被視為形狀固定的粒子時，將電子類比為在極小的原子核旁，似氣體般，具有大範圍且分布形狀特殊的電子雲，更為適切；而這與古典物理學中的軌道想法並不相同。

在量子力學中，原子軌域是以數學函數（function）描述原子中電子似波的行為。此電子的波函數可用來計算：在原子核外，找到原子中電子的機率，並指出電子在空間中的可能位置。軌域是指電子在核外運動的某個空間範圍，從統計角度來看，原子軌域就是電子在原子核外空間，出現機率較大的區域。研究電子在核外各處出現的機率時，可用小黑點的疏密程度來表示，黑點密的地方，表示電子在那裡出現的機率密度大；黑點稀疏的地方，則表示電子在那裡出現的機率密度小，這種圖形稱為電子雲圖；也就是說，電子雲是電子在核外空間各處出現機率密度大小的形象化描述。原子軌域函數描述電子雲（electron cloud）中，個別電子可能的量子態（quantum states），此函數由三個變數（variables）所組成，其中一個變數描述電子距核的距離，另兩個則與角度相關。解這一系列波函數需引入一套量子化參數n,l,m，統稱為量子數，只有某些n,l,m的組合才能得到合理的波函數，才能代表系統中電子運動的一個穩定狀態。

n為主量子數（principal quantum number），需取正整數；l為角量子數（angular quantum number），可取0和小於n的正整數；m為磁量子數（magnetic quantum number），取+l~-l間的整數。特定組合的量子數，則可確定一個原子軌域。軌域以nl^y的符號表示，n是主量子數，決定軌域的能量；l即是角量子數，決定軌域的形狀。右上的數字y，表示此軌域中的電子個數。例如：1s²表示有兩個電子在最低的能量層（n=1），其角量子數l = 0。在X光研究的領域裡，每個量子數對應一個特定的英文字母，當n = 1, 2, 3, 4, 5 …..分別對應K, L, M, N, O….，稱為主殼層（shell）；l =0, 1, 2, 3, 4, 5 …..分別對應s, p, d, f, g….，稱為副殼層（subshell）。

主量子數n最早出現在波耳模型（Bohr model）中，它控制電子離原子核的遠近；當n值相同時，電子離核的距離即相同。量子力學的研究也確認，具有相同n值的軌域，其性質相近，因此認同將n值相同的軌域稱為同一主殼層（shell）: K, L, M, N, O….；而當軌域的n與l值均相同時，軌域性質更相近，稱之為同一副殼層。軌域s, p, d, f的名稱，則源於對原子光譜特徵譜線外觀的描述；分為銳系光譜（sharp）、主系光譜（principal）、漫系光譜（diffuse）、基系光譜（fundamental），其他的則依字母序命名。

參考資料
http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_orbital