Låt mig närma mig detta på ett annat sätt än de andra: orbitaler är INTE fysiska objekt! De existerar inte i fysisk mening, de är teoretiska konstruktioner, kemiska begrepp som hjälper till att förstå / visualisera / etc. matematiska lösningar av Schrodinger / Dirac / Kohn – Sham / etc. ekvationer.

Orbitaler är inte unika: givna linjära kombinationer är ekvivalenta med varandra, och det finns inga "korrekta orbitaler", man kan välja vad de vill. Kanoniska orbitaler, naturliga orbitaler etc är bra att gå.

Vilka bevis finns det? De finns inte, de är bara matematiska lösningar för givna ekvationer, och det är en rent matematisk fråga om de är bra lösningar för dessa ekvationer eller inte. Teorierna själva överensstämmer med experimentella data, t.ex. spektroskopiska egenskaper, geometrier, reaktivitet.

Svaret ligger på experimentell kemi, specifikt successiva joniseringsenergier (dvs. hur mycket energi som krävs för att ta bort den första elektronen, den andra elektronen, den tredje elektronen och så vidare).

Varje punkt i diagrammet motsvarar ett element. Den första är väte, den andra är helium. Höjden på varje punkt visar hur mycket energi som krävs för att ta bort den första elektronen.

Du kan notera att i allmänhet ökar energin över en period. Detta beror på att i varje på varandra följande element finns ytterligare ett proton, och denna starkare kärnladdning "håller de yttre elektronerna" tätare.

Nu för att förklara din fråga. Observera att det inte är en konstant ökning inom en period (t.ex. den tredje punkten till den 10: e). Du kan se att mellan 4: e och 5: e är det en liten nedgång, likaså mellan 7: e och 8: e.

Förklaringen till detta är sub-orbitalerna. Viss kunskap du behöver veta är att elektronunderskal bara är stabila när de är tomma, fulla eller halvfulla (om du behöver en förklaring för den här kommentaren senare).

Låt oss undersöka den fjärde punkten, som representerar Beryllium. Den har en elektronisk konfiguration av 1s2 2s2. Alla dess sub-orbitaler är fulla, vilket betyder att den är ganska stabil. Jämför det med den 5: e punkten, bor. Bor har en konfiguration av 1s2 2s2 3p1. Nu har P-banan plats för 6 elektroner, men den har bara 1! Det är inte lyckligt. Den är inte full eller halvfull. På grund av detta försöker det att "bli av" med elektronen för att vara mer stabil. Det är därför det inte kräver så mycket energi för att ta bort den yttre elektronen.

Minskningen mellan 6: e och 7: e förklaras av det faktum att p-banan är stabil när den är tom, full eller halvfull. Den 7: e punkten (kväve) har 3 elektroner i sin p-orbital (halvfull). Kontrasterad med syre, som har 4/6. Detta är inte stabilt, så det behövs mindre energi för att ta bort det.

TL-DR: Genom att analysera joniseringsenergidiagrammen kan vi se mönster som kan förklaras med delorbitaler.

Om du behöver en mer grundläggande / komplex förklaring, kommentera.

Åh, jag misstänker att någon kan komma med en "s-orbital" -syn på kemi, ungefär som människor kom med komplicerade modeller för en jordcentrerad syn på universum.

Låt oss börja med det enkla faktumet att lösning av kvantmekanik för en väteatom ger dig lösningar för s, p, d, f, g .. orbitaler och till och med degenereringen (dvs. att det finns en s-typ orbital, tre p-typ, fem d-typ, etc.) baserat på vinkelmomentet.

Som beskrivits ovan matchar lösningar för de många elektronekvationerna (om än ungefärliga) mycket snyggt med experimentella observationer för joniseringsenergier, elektronaffiniteter, etc.

Så en elegant teori och experiment överensstämmer i anmärkningsvärd grad.

Utöver det vet vi att det måste finnas icke-sfäriska orbitaler eftersom vi ser molekylära former med bindningsvinklar. Jag kan inte komma på något sätt att beskriva en tetraedrisk metan (än mindre något annat) utan någon form av icke-sfärisk orbital.

Dessutom, när vi tittar på reaktiviteter av molekyler, ser vi reaktioner inträffa där vi förutsäger ensamma par eller radikal spinntäthet, etc.

Medan orbitaler verkligen är en matematisk konstruktion, tycker att de är otroligt förutsägbara för ett brett spektrum av kemi. Så mitt svar skulle vara "hur kan vi tro att det inte finns olika orbitaler?"

Hur vet vi att det finns olika typer av orbitaler?

I de tidiga dagarna av atomspektroskopi kunde forskare förklara de spektrala egenskaperna hos element som väte och natrium . Atomer av dessa element hade en enda elektron i det yttersta skalet och producerade spektra som passade med (vad vi nu betraktar som) atomens relativt enkla Bohr-teori. När mer komplexa atomer undersöktes spektroskopiskt observerades fin struktur som Bohr-teorin inte kunde förklara. Dessa spektrallinjer kallades ofta för s harpa, p rincipal, d iffuse och f undamental.

När kvantmekaniken uppstod kom begreppet de fyra kvantnummer som behövdes för att beskriva en elektron. Man fann att den spektrala finstrukturen nu kunde förklaras när dessa olika kvanttillstånd togs i beaktande. För att hedra det arbete som utförts av de tidiga spektroskopisterna (som ledde till utvecklingen av en bättre teori) använde forskare sin " s, p, d, f " notation för att beskriva de olika värdena för vinkelmomentet kvantnummer $ \ ell $.

Så även om observationerna från de tidiga spektroskoperna inte kunde förklaras vid den tiden, visar det sig att de faktiskt observerade spektralövergångar som involverade andra orbitaler (p, d, f) utöver de som involverade s orbital. Observation av denna spektrala fina struktur kräver närvaro av orbitaler som skiljer sig från s orbitaler.

Även om jag verkligen gillar de andra svaren är beviset på 2000-talet här att vi har bilder av dessa banor tack vare atomkraftsmikroskopi (AFM).

• http://www.themarysue.com/electron-orbital-pictures/

Som getafix påpekade, dessa är faktiskt bilder av rumsliga elektrontäthetsfördelningar av de undersökta molekylerna. Det faktiska beviset här, att modellen som använder orbitalterm förutsäger samma fördelningar som vi mätte med AFM.