电子云
diàn zǐ yún
电子云是原子核外电子最可能出现的区域,取代了固定轨道的旧概念。
Definition
电子云是原子核外电子可能出现的模糊区域;电子运动得如此快速且不可预测,以至于我们把它们想象成一团云,而不是沿固定路径运动的点。电子出现概率越大的地方,云就越浓密;电子云按能级排布,价电子位于最外层。在量子力学模型中,每个电子都由波函数 $\psi$ 描述,$|\psi|^2$ 给出在某点找到电子的概率密度;轨道($s$、$p$、$d$、$f$)就是包含大部分概率的形状,而海森堡不确定性原理禁止赋予电子一条确定的运动轨迹。
Example
快速转动的风扇叶片看起来像一团模糊的实心圆盘,电子云正是这样的模糊影像:电子就在其中某处,但你无法指出确切的一点。在氢原子中,电子云是一个直径约 $0.1\text{ nm}$ 的球体,电子最可能出现在距原子核约 $0.053\text{ nm}$ 处。$1s$ 轨道呈球形,而三个 $2p$ 轨道则是沿 $x$、$y$、$z$ 轴分布的哑铃形;甲烷 $CH_4$ 中碳的成键方式,源于其 $2s$ 和 $2p$ 电子云混合形成四个指向四面体顶点的 $sp^3$ 杂化轨道。
Key Insight
电子并不像行星绕太阳那样绕原子核运转;玻尔模型之所以还留在教科书里,只是因为它便于绘图,但对任何多电子原子都不再适用。电子云决定了原子的大小,两个原子相碰时,其实是云与云相触,真正能预测分子几何形状的是轨道的形状,而不是轨道这个说法本身。