Что такое электрон и электронное облако?

Электронное облако — это облако вероятности, окружающее ядро ​​в атоме, где есть наибольшая вероятность найти электрон.

Когда вы думаете об атоме, ваш разум, вероятно, вызывает в воображении образ центрального ядра с целой связкой электронов, вращающихся вокруг него.

Однако, продолжающиеся исследования этого вопроса заставили научное сообщество понять, что на самом деле атом выглядит не так. Оказывается, наше обычное представление мало соответствует истинному изображению атома.

У атома есть центральное ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Его окружает «туман вероятности», где у электрона самые высокие шансы на обнаружение. Чем оно плотнее, тем больше шанс найти электрон. Этот плотный туман вероятности называется электронным облаком.

Пудинговая модель атома

К 1910 году ученые обнаружили две основные составляющие атома: положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны (нейтрон был открыт намного позже, в 1932 году, Джеймсом Чедвиком). Однако не было понятно, как эти частицы были организованы в атоме. Одно из первых объяснений было дано Дж. Дж. Томпсоном, который заявил, что электроны и протоны равномерно распределены внутри атома в форме, чем-то напоминающей «сливовый пудинг».

Модель атома Резерфорда

Чтобы проверить гипотезу Томпсона, Эрнест Резерфорд провел свой всемирно известный эксперимент с золотой фольгой, в котором он бомбардировал пластинку золотой фольги альфа-частицами.

Если бы модель сливового пудинга была действительно точной, то отклонение альфа-частиц было бы незначительным или отсутствовало бы. Однако Резерфорд заметил, что, хотя некоторые альфа-частицы действительно проходили насквозь, непрерывно, некоторые отскакивали обратно в исходную точку.

Это несоответствие привело Резерфорда к предложению новой модели атома. Области, через которые частицы проходили непрерывно, казались в основном пустыми, в то время как точки, в которых они отклонялись или отражались, казалось, имели высокую концентрацию общей массы атома. Таким образом, он отказался от модели сливового пудинга в пользу классической модели атома, которую мы видим в популярных СМИ — центральное ядро, окруженное электронами.

Модель атома Бора

В то время как модель Резерфорда получила широкое признание, один из его учеников, Нильс Бор, усовершенствовал ее. Он доказал, что окружающие атом электроны не вращаются произвольно. Скорее, они вращаются по четко определенным орбиталям на очень определенных уровнях энергии, то есть орбитали квантованы. Благодаря этому доказательству модель атома Бора смогла объяснить определенное явление, такое как спектр водорода.

Электронное облако

Каждая из этих моделей объясняла большинство загадок, которые десятилетиями сбивали с толку научное сообщество. Квантованная орбитальная модель Бора была настолько подходящей, что казалась идеальной. Однако, как показала квантовая механика, модель была далека от реальности. Все предыдущие модели атома предполагали, что электрон — это частица с четко определенной массой, вращающаяся вокруг ядра, как спутник вращается вокруг планеты. В действительности же электрон больше похож на плотное облако вероятности, окружающее ядро.

Электрон обладает измеримыми кинетической энергией и импульсом, но не проявляет никакого подобия вращения. Электрон просто окружает ядро ​​атома, как густой туман. Однако давайте проясним одну вещь: электрон — не та неуловимая частица, которую мы можем искать в тумане. Это не цель, которая движется так быстро, чтобы казаться расплывчатым облаком. Фактически электрон — это и есть облако.

Есть ли масса у электронного облака?

Мы установили, что электрон — это не идеальная сфера, вращающаяся вокруг ядра, а скорее плотная облачная область вероятности. Итак, как мы можем определить его массу? Обладает ли электронное облако массой? Повсюду в учебниках физики уверенно показано, что масса электрона составляет 9,11 X 10^–31 кг. Это верно.

Однако возникает вопрос: а весит ли все облако вместе 9,11 X 10^–31 кг? Да. А что насчет части облака? Может ли часть облака иметь массу меньше электрона? На самом деле, нет.

Отсюда все становится немного туманнее. Допустим, у вас есть крошечная ложка. Вы берете эту ложку и опускаете ее на 25% площади электронного облака. В таком случае ваша ложка содержит вес, равный 25% от 9,11 X 10^–31 кг? Нет.

Когда ваша ложка удерживает 25% электронного облака, ваша ложка имеет 25% шанс удержать массу электронов 9,11 X 10^–31 кг. Вы можете владеть электроном целиком или не иметь его. Несмотря на то, что он представлен облаком, его нельзя разбить на части, так как облако не является физическим. Облако — это просто лучший способ проиллюстрировать истинное состояние электрона.

Конечно, это очень упрощенное объяснение электронного облака. Сложный мир квантовой механики математически представляет электронное облако как квантовую волновую функцию, управляемую вероятностями. Однако такая математика, похоже, выходит за рамки этой статьи. Целью здесь было просто помочь вам визуализировать «электрон» таким, какой он есть на самом деле.

Итак, в следующий раз, когда кто-то попросит вас подумать об атоме, не вызывайте в воображении устаревшее, неточное изображение электронов, вращающихся вокруг центрального ядра. Вместо этого подумайте об электронном облаке!