原子軌道

原子軌道：ミクロな世界の電子分布

原子核の周囲には、電子が存在します。しかし、その存在位置は確率的にしか分からず、古典力学のように明確な軌道を描くわけではありません。そこで用いられるのが原子軌道（atomic orbital）という概念です。原子軌道は、原子核の周りに存在する1つの電子の状態を記述する波動関数であり、その絶対値の2乗は、その空間における電子の存在確率に比例します。これはボルンの規則として知られています。

原子軌道と古典力学的な軌道の違いを明確に理解することが重要です。古典力学では、惑星が太陽の周りを回るように、電子も原子核の周りを明確な軌道を描いて回っていると捉えられます。しかし、量子力学においては、電子の位置は確率的にしか決定できず、原子軌道は、電子が存在する確率の高い領域を示すものです。

原子軌道の種類

原子軌道は、その形状とエネルギーによって分類されます。主な種類として、s軌道、p軌道、d軌道、f軌道などが挙げられます。これらの名称（s, p, d, f）は、分光法で観測されるスペクトルの形状（sharp, principal, diffuse, fundamental）に由来しています。g軌道、h軌道など、さらに高エネルギーの軌道も存在しますが、通常は化学反応においては考慮されません。なお、j軌道は、iとjを区別しない言語が存在するため、アルファベット順に命名される際に除外されています。

原子価軌道と原子価[[電子]]

原子軌道のなかで、特に化学結合や化学反応に関与するのが原子価軌道です。原子価軌道は、原子の最外殻に位置する軌道であり、この軌道にある電子は原子価[[電子]]（価[[電子]]）と呼ばれます。原子価[[電子]]は、他の原子と相互作用し、共有結合やイオン結合といった化学結合を形成します。原子の化学的性質は、主に原子価[[電子]]の数と配置によって決定されます。

原子軌道の歴史

原子軌道の概念は、量子力学の発展とともに形成されてきました。1932年、ロバート・マリケンによって「one-electron orbital wave function（1電子オービタル波動関数）」の短縮形として「オービタル」という用語が提唱されました。

それ以前には、原子の構造に関する様々なモデルが提案されました。1892年の電子の発見（ジョゼフ・ジョン・トムソン）をきっかけに、原子が電子を含む複合体であることが明らかになりました。トムソンはプラムプディングモデル、長岡半太郎は土星モデルを提唱しましたが、これらのモデルは、後の実験結果と一致しませんでした。

1909年のラザフォードによる原子核の発見は、原子構造理解に大きな転換をもたらしました。そして1913年、ニールス・ボーアは、電子が原子核の周りを特定の軌道（エネルギー準位）を回るボーアモデルを提唱しました。ボーアモデルは、水素原子のスペクトルをうまく説明しましたが、より複雑な原子には適用できませんでした。現代の原子軌道は、ボーアモデルを進化させ、量子力学に基づいて、電子の存在確率を記述するものです。

関連概念

原子軌道の理解を深めるために、以下の関連概念についても学ぶことが重要です。

物性物理学: 物質の物理的性質を原子・分子のレベルで解明する学問分野。
量子化学: 量子力学の原理を化学の問題に適用する学問分野。
電子配置: 原子や分子における電子の配置状態。
電子殻: 原子核の周囲の空間をエネルギー準位に応じていくつかの領域に分割した概念。
s軌道、p軌道、d軌道、f軌道: 原子軌道の種類。
分子軌道: 分子における電子の状態を表す波動関数。
LCAO法: 分子軌道を原子軌道の線形結合で近似する方法。
マフィンティン軌道: 物質の電子状態を計算する際に用いられる近似的な原子軌道。
基底関数: 量子化学計算において、原子軌道を表現するために用いられる関数。
局在基底: 特定の原子核の近傍に局在化した基底関数。

原子軌道は、物質の性質を理解するための基礎となる重要な概念です。これらの関連概念を理解することで、より深く原子や分子の世界を理解することができます。

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