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電子云
沒有確定方向和軌跡的微觀粒子
電子是一種微觀粒子，在原子如此小的空間（直徑約10?1?m）內(nèi)運動，核外電子的運動與宏觀物體運動不同，沒有確定的方向和軌跡，只能用電子云描述它在原子核外空間某處出現(xiàn)機會（幾率）的大小。
基本信息
| 中文名 | 電子云 |
| 外文名 | electron cloud |
| 電荷 | 帶負電 |
| 本質(zhì) | 微觀粒子 |
| 特性 | 沒有確定方向和軌跡 |
| 速度 | 接近光速 |
| 大小 | 極小 |
| 學科 | 物理學 |
收起
簡介
電子云是物理和化學中的一個概念，就是用統(tǒng)計的方法對核外電子空間分布的形象描繪，它區(qū)別在于行星軌道式模型。電子有波粒二象性，它不像宏觀物體的運動那樣有確定的軌道，因此畫不出它的運動軌跡。不能預(yù)言它在某一時刻究竟出現(xiàn)在核外空間的哪個地方，只能知道它在某處出現(xiàn)的機會有多少。為此，就以單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)幾率，即幾率密度大小，用小白點的疏密來表示。小白點密處表示電子出現(xiàn)的幾率密度大，小白點疏處幾率密度小，看上去好像一片帶負電的云狀物籠罩在原子核周圍，因此被稱為“電子云”。在量子力學中，用一個波函數(shù)Ψ（ x， y， z）表征電子的運動狀態(tài)，并且用它的模的平方|Ψ|2值表示單位體積內(nèi)電子在核外空間某處出現(xiàn)的幾率，即幾率密度，所以電子云實際上就是|Ψ|2在空間的分布。研究電子云的空間分布主要包括它的徑向分布和角度分布兩個方面。徑向分布探求電子出現(xiàn)的幾率大小和離核遠近的關(guān)系，被看作在半徑為 r，厚度為d r的薄球殼內(nèi)電子出現(xiàn)的幾率。角度分布探究電子出現(xiàn)的幾率和角度的關(guān)系。例如s態(tài)電子，角度分布呈球形對稱，同一球面上不同角度方向上電子出現(xiàn)的幾率密度相同。p態(tài)電子呈8字形，不同角度方向上幾率密度不等。有了pz的角度分布，再有 n=2時2p的徑向分布，就可以綜合兩者得到2pz的電子云圖形。由于2p和3p的徑向分布不同，2pz和3pz的電子云圖形也不同。
概念
電子云就是用小黑點疏密來表示空間各電子出現(xiàn)概率大小的一種圖形。
電子云出現(xiàn)的幾率大小
性質(zhì)
原子核周圍的空間，由于電子的運動而形成的陰電氣氛。描述原子或分子中電子在原子核周圍各區(qū)域出現(xiàn)的幾率?？梢栽趫D像中用電子云密度(陰電氣氛的濃厚程度)來表示，以不同的濃淡點代表幾率的大小，其結(jié)果像電子在原子核周圍形成的云霧。電子云的空間分布也可用等密度面表示。
研究
電子云
|ψ|2表示電子在核外空間某處出現(xiàn)的幾率密度。幾率密度與該區(qū)域總體積的乘積就是幾率。電子云和核外空間某處電子出現(xiàn)的幾率有關(guān)，即與幾率密度有關(guān)。
核外電子各有自己的運動狀態(tài)，每種運動狀態(tài)都有相應(yīng)的波函數(shù)ψ1S、ψ2S、…和幾率密度|ψ1S|2、|ψ2S|2、……這些波函數(shù)和幾率密度各不相同，所以不同狀態(tài)下的電子都有其各自的電子云分布。
分布情況
①s電子云，是球形對稱的，在核外半徑相同處任一方向上電子出現(xiàn)的幾率相同。
仿真模擬3D電子云圖
③d電子云， n≥3時出現(xiàn)。
④f電子云， n≥4時出現(xiàn)。
表示方法
（1s電子）
①用ψ和|ψ|2隨 r的變化表示，圖形表明它們隨 r增大（離核遠）而減小。
②電子云圖
以小黑點疏密表示電子在核外空間出現(xiàn)的幾率的大小。在核附近，電子出現(xiàn)的幾率密度最大，離核遠處電子幾率密度小。
③等密度圖
④電子云界面圖
在核的周圍作一界面，在界面內(nèi)出現(xiàn)該電子的幾率大于90%，界面外出現(xiàn)該電子的幾率不足10%。對氫原子而言，界面本身就是一個等密度面。
把以直角坐標表示的波函數(shù)轉(zhuǎn)換為以球坐標ψ（ r， θ， φ）表示。電子在任一點的運動狀態(tài)可用一組ψ（ r， θ， φ）表示(圖3)。ψ有三個變數(shù)，不易用空間圖象表示，但可從ψ或|ψ|2與半徑 r和角度 θ， φ兩個方面的關(guān)系來討論，即：
ψ（ r， θ， φ）= D（ r） Y（ θ, φ）
①徑向分布函數(shù)
作離核距離為 r，厚度為d r的薄層球殼(圖4a)，作4π r2|ψ|2【以 D( r)表示】和半徑 r的對畫圖（圖4b）。 D( r)是 r的函數(shù)，稱為徑向分布函數(shù)，它表示在離核半徑為r的球面上單位厚度球殼中電子出現(xiàn)的幾率。對于氫原子，在53pm處 D( r)有一極大值。這是因為 r<53pm時，4π r2??； r>53pm時，|ψ|2?。凰?π r2|ψ|2都小于極大值。
②角度分布函數(shù)
從坐標原點出發(fā)，引出方向為( θ, φ)的直線，取 Y值，作 Y2隨 θ、 φ變化的圖，得電子云的角度分布圖。
模型
電子云模型
能量
同一能態(tài)，各電子云對應(yīng)的體系能量相同。
新發(fā)現(xiàn)
我國旅美科學家汪正民博士在激光與原子體系相互作用領(lǐng)域發(fā)展了一項新的實驗技術(shù)，在國際上首次獲得原子體系連續(xù)態(tài)不同電子云影像，直接驗證了量子力學的理論；通過分析實驗上得到的與理論上計算的影像，首次完整地獲得了連續(xù)態(tài)波函數(shù)的相對相位等三個微觀原子參數(shù)，所得到的結(jié)果同時驗證了量子虧損理論。汪正民與丹·埃里奧特博士合作的兩篇有關(guān)論文發(fā)表在《物理評論快報》和《物理評論a輯》上。
隨著原子物理學研究的深化，到了20世紀70年代一個重要的研究領(lǐng)域是通過激光與原子相互作用，使原子多光子離化來進行光電角分布的研究。這是研究原子和分子結(jié)構(gòu)以及光與物質(zhì)相互作用的有力工具。與此同時，人們也開始用這一方法研究多光子離化過程中激發(fā)到連續(xù)態(tài)的各離化通道的相對離化截面和不同波函數(shù)間的相對相位等三個原子參數(shù)。長期以來，國際上都是用線偏振光進行傳統(tǒng)方法光電子角分布的測量。但這一方法尚需借助其他實驗結(jié)果或有關(guān)假設(shè)，因此使用線偏振光這種傳統(tǒng)的測量方法難以得到可靠而確定的參數(shù)。
汪正民發(fā)展了一項獨特的實驗技術(shù)成功地解決了這一難題。其試驗裝置的主要部分是用一特制的光電子成像系統(tǒng)，收集在原子多光子電離過程中在激光與原子相互作用區(qū)向全空間發(fā)射的光電子。并通過改變激光的偏振態(tài)，在光電子成像系統(tǒng)的熒光屏上得到不同電子云的平面影像（見右圖）。這些影像包含了原子躍遷的全部信息。這是該項研究在實驗技術(shù)上的關(guān)鍵性工作。為了從實驗得到的電子云影像中獲得這些原子參數(shù)，他們根據(jù)量子力學的原理建立了任意偏振態(tài)激光雙光子離化的光電子角分布理論。按照這一理論，可計算出橢圓偏振光與銣原子相互作用產(chǎn)生的光電子所得到的電子云影像。再通過對由實驗得到的電子云影像與理論計算得到的電子云影像的數(shù)據(jù)處理，同時獲得了原子在雙光子離化過程中的三個原子參數(shù)：連續(xù)態(tài)波函數(shù)s波和d波的相對相位：連續(xù)s態(tài)和d態(tài)的相對光離化截面和連續(xù)d態(tài)的兩個精細態(tài)之間相對離化截面。在相當寬闊的激光波長范圍內(nèi)，該工作得到的波函數(shù)的相位與根據(jù)量子虧損理論計算的結(jié)果極為符合，從而直接驗證了量子虧損理論。
這項研究工作被國際同行稱為“發(fā)展了一個完整確定原子參數(shù)，頗為有趣、有前途的新方法”、“提出了研究原子多光子離化細節(jié)的新途徑”。諾貝爾化學獎獲得者赫伯特·查爾斯·布朗(Herbert C. Brown)教授稱贊這些成果為“激動人心的發(fā)現(xiàn)”。
概率密度
氫原子電子云
現(xiàn)已經(jīng)證明電子在核外空間所處的位置及其運動速度不能同時準確地確定，也就是不能描繪出它的運動軌跡。在量子力學中采用統(tǒng)計的方法，即對一個電子多次的行為或許多電子的一次行為進行總的研究，可以統(tǒng)計出電子在核外空間某單位體積中出現(xiàn)機會的多少，這個機會在數(shù)學上稱為概率密度。例如氫原子核外有一個電子，這個電子在核外好像是毫無規(guī)則地運動，一會兒在這里出現(xiàn)，一會兒在那里出現(xiàn)，但是對千百萬個電子的運動狀態(tài)統(tǒng)計而言，電子在核外空間的運動是有規(guī)律的，在一個球形區(qū)域里經(jīng)常出現(xiàn)，如一團帶負電荷的云霧，籠罩在原子核的周圍，人們稱之為電子云。這團“電子云霧”呈球形對稱，如下圖所示。電子云是電子在核外空間出現(xiàn)概率密度分布的一種形象描述。原子核位于中心，小黑點的密疏表示核外電子概率密度的大小。
s、p、d、f電子云示意圖
p層軌道電子云示意圖
d層軌道電子云示意圖
f層電子云示意圖
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