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g轨道

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5g轨道的立体模型

化学原子物理学中,g轨道英语:g orbital)是一种原子轨道,其角量子数为4,其磁量子数可以为0、±1、±2、±3、±4,且每个壳层里中有9个g轨道,gz4、gxz3、gyz3、gxyz2、gz2(x2-y2)、gx3z、gy3z、gx4+y4、gxy(x2-y2)[1],有三种形状,且方向不同,每个可以容纳2个电子,因此,g轨道共可以容纳18个电子。

由于目前尚未发现第八周期元素,因此在已知的元素中,g轨道只存在于激发态的原子中。

命名[编辑]

g轨道的 g 是来自f轨道f的下一个字母g[2]

结构[编辑]

g轨道从主量子数n=5时开始出现,由于主量子数不能小于5,因此最小的f轨道是5g轨道,且不存在1g、2g、3g和4g轨道。当角量子数=5时,对应于9个磁量子数:4、3、2、1、0、-1、-2、-3、-4。每个壳层皆有9个g轨道,分别为gz4、gxz3、gyz3、gxyz2、gz2(x2-y2)、gx3z、gy3z、gx4+y4、gxy(x2-y2),有三种形状,其中磁量子数m = ±1或±4时(gxz3、gyz3、gx4+y4、gxy(x2-y2))形状相同但方向不同为豆子形;磁量子数m = ±2或±3时(gxyz2、gz2(x2-y2)、gx3z、gy3z)形状相同但方向不同为为十二哑铃形;而磁量子数m = 0时(gz4)的形状较特别,类似于dz2轨道,但中间的环的上下多了一个类似碗的形状,其开口朝向上下的哑铃形。

g区元素[编辑]

g区元素是指这些元素中具有最高能量的电子是填在g轨道上的,其中所有元素尚未被发现。

g之后的轨道[编辑]

g之后的轨道目前尚未观测到,但根据计算结果是有可能存在的。其命名则依字母顺序命名,除了不与s轨道p轨道sp重复之外,另外还跳过j这个字母[2](由于某些语言不分i与j),因此没有任何轨道会以“j轨道”来命名。

h轨道[编辑]

hz5轨道模型,比gz4多了一个环。

目前还没有发现h轨道 ,但根据现有理论,h轨道英语:h orbital)是一种原子轨道,其角量子数为5,其磁量子数可以为0、±1、±2、±3、±4、±5,且每个壳层里中有11个h轨道,其形状可由薛定谔方程式来预测。

具有最高能量的电子是填在h轨道上的元素称为h区元素,位于第九周期之后,许多目前的物理模型都崩溃了或不适用,因此可能无法存在。

i轨道[编辑]

目前还没有发现i轨道 ,但根据现有理论,i轨道英语:i orbital)是一种原子轨道,其角量子数为6,其磁量子数可以为0、±1、±2、±3、±4、±5、±6,且每个壳层里中有13个i轨道,其形状可由薛定谔方程式来预测。

i轨道从主量子数n=7时开始出现,由于主量子数不能小于7,因此最小的f轨道是7i轨道,但由于能级交错,会从第9周期或第10周期后才开始填入,根据Pyykkö模型,其原子序将超过173,当前考虑到核电荷分布之有限延伸的计算,结果约等于173(unseptrium),非离子原子所属的元素可能仅限于等于或低于这个结果[3]

玻尔模型在原子序达到137之后会有问题,因为在1s原子轨道中的电子的速度v计算如下:

当中Z原子序α是描述电磁力强度的精细结构常数[4]如此一来,任何原子序高于137的元素的1s轨道电子将会以高于光速c运行,物理上不可能。因此任何不建基于相对论的理论(如波尔模型)不足以处理这种计算。

相对论狄拉克方程式在原子序大于Uts时也会发生问题,因为基态能级为:

当中m0是电子的静质量。而当原子序大于137,狄拉克基态的波函数是震荡的,并且正能谱与负能谱之间没有间隙,正如克莱因悖论英语Klein paradox所言。[5]理查德·费曼(Richard Feynman)指出了这效应。

然而,现实的计算已考虑到了核电荷分布的有限延伸。约等于173(Unseptrium)的临界的Z使得非离子原子所属的元素可能仅限于等于或低于这个结果,因此,电子可能无法填至i轨道,因此i轨道有可能根本不存在。

k轨道[编辑]

k轨道是根据轨道命名规则照字母顺序跳过“j”[2][6]所得到的轨道名称,因此当角量子数为7时,不会是j轨道,而是k轨道,由于i轨道可能不存在,因此,k轨道仅是原子轨道模型的理论值。

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ Chemical-Bonding-and-Organic-Chemistry. docstoc.com. [2013-05-26]. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Griffiths, David. Introduction to Quantum Mechanics. Prentice Hall. 1995: 190–191. ISBN 0-13-124405-1. 
  3. ^ Walter Greiner and Stefan Schramm, Am. J. Phys. 76, 509 (2008), and references therein.
  4. ^ See for example R. Eisberg and R. Resnick, Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles, Wiley (New York: 1985).
  5. ^ James D. Bjorken and Sidney D. Drell, Relativistic Quantum Mechanics, McGraw-Hill (New York:1964).
  6. ^ Levine, Ira. Quantum Chemistry 5. Prentice Hall. 2000: 144–145. ISBN 0-13-685512-1.