化學名詞解釋：

按照原子結構的經典理論，，電子在原子核周圍作行星式的軌道運動。但用這一模型 解釋原子現(xiàn)象時得到了與實驗相反的結果。到了二十 世紀初，經典理論與微觀現(xiàn)象之間的矛盾已經暴露得十分清楚，迫使人們提出新的假設，尋找新的理論。量子力學的建立和發(fā)展是二十世紀物理學的重大成就。它成功地解釋了原子，分子，固體以及原子核的性質和許多微觀現(xiàn)象。按照量子力學的計算結果，原子中的電子并不是延著一定的軌道運動，而是按照一定的幾率出現(xiàn)在原子核周圍不同的空間區(qū)域。 人們常常繪制出電子幾率分布圖形像地表示電子在原子核周圍的幾率分布。這就是人們常說的“電子云”圖像。 電子云密度大的區(qū)域電子出現(xiàn)的幾率大，密度小的區(qū)域電子出現(xiàn)的幾率小。 電子云的花樣隨著原子的不同能量狀態(tài)(簡稱能態(tài))而改變。 一些量子力學 ，原子物理等書刊中的“電子云”圖像都是模擬照片或繪制的 圖片 。本文只有一幅插圖是實驗上獲得的電子云影像. (見下方"新的發(fā)現(xiàn)"一節(jié))

電子云 - 概念

對宏觀物體的運動，可以用經典力學來描述。例如火車在軌道上奔馳，人造衛(wèi)星按一定軌道圍繞地球運行，都可以測定或根據一定的數(shù)據計算出它們在某一時刻所在的位置和速度，并能描繪出它們的運動軌跡。而在原子核外運動的電子則不同，它不遵循經典力學的規(guī)律，必須用20世紀初創(chuàng)立的量子力學理論來描述。

現(xiàn)已經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，人們形像地稱之為電子云。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。

電子云 - 研究

電子是一種微觀粒子，在原子如此小的空間(直徑約10^-10米)內作高速運動，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)機會的大小。電子云圖像中每一個小黑點表示電子出現(xiàn)在核外空間中的一次概率(不表示一個電子!)概率密度越大電子云圖像中的小黑點越密，離核近處，黑點密度大，電子出現(xiàn)機會多，離核遠處，電子出現(xiàn)機會少。電子云有不同的形狀，分別用符s、p、d、f表示，s電子云呈球形，在半徑相同的球面上，電子出現(xiàn)的機會相同，p電子云呈紡錘形(或啞鈴形)，d電子云是花瓣形，f電子云更為復雜。 描述原子或分子中電子的概率密度在核外空間中分布的圖象.原子由原子核和核外殼層電子組成，原子的質量集中于原子核的極小體積中，因此原子的殼層電子可在一個相當廣闊的空間繞核運動，原子核帶有Z個正電荷，那么Z個電子繞核運動，形成電子云，從量子力學觀點看，由玻爾或索末菲用舊量子論假設的殼層電子運行的經典軌道只不過是電子在這些地方出現(xiàn)的幾率較大而已，因此電子云是一種幾率云，它們“模糊”地籠罩在原子核周圍并“被彌散”在整個原子空間，成為云狀.在電子的振動圖案中，對應于一種振動的能量空間的每一點上的幾率密度，代表電子在該點的或然率，在距離原子很遠的地方，幾率密度為零，這意 味著非常不可能在那里找到電子，在非常鄰近核的區(qū)域，電子出現(xiàn)的幾率也為零，則說明電子無法到達此區(qū)域.

電子在核外空間出現(xiàn)幾率密度的形象表示。人們根據核外電子波粒二象性及測不準原理，用統(tǒng)計的方法來判斷電子在核外空間某區(qū)域里出現(xiàn)機會(幾率)的大小。

是氫原子的電子云。疏密的小黑點表示電子出現(xiàn)的幾率(一個小黑點不代表一個電子)，密處表示電子出現(xiàn)的幾率大,疏處電子出現(xiàn)的幾率小。這些小黑點猶如一團帶負電的云，所以叫電子云。

|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，即與幾率密度有關。

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。

電子云 - 分布狀態(tài)

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。

②p電子云，主量子數(shù)n≥2時出現(xiàn)。n=2，l=1的p電子云沿著某一方向出現(xiàn)的幾率密度最大，而在另外兩個方向出現(xiàn)的幾率密度為零。2p電子云是無把啞鈴形的，它有三種取向，即2px、2py、2pz。

③d電子云，n≥3時出現(xiàn)。

④f電子云，n≥4時出現(xiàn)。

現(xiàn)以1s電子為例，說明電子云幾率分布的幾種表示法：①用ψ1S和|ψ1S|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,把|ψ|2相同的點連接起來即等密度圖。對氫原子而言，等密度面是許多同心的球面。圖中數(shù)值表示幾率密度的相對大小。

④電子云界面圖，在核的周圍作一界面,在界面內出現(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dr的薄層球殼(圖4a)，作4πr2|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，4πr2小;r>53pm時，|ψ1S|2小;所以4πr2|ψ1S|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。

電子云 - 新的發(fā)現(xiàn)

在美國普渡大學相干與量子光學實驗室，我旅美科學家汪正民博士在激光與原子體系相互作用領域發(fā)展了一項新的實驗技術，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論文已在《物理評論快報》和《物理評論a輯》上發(fā)表。

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構以及光與物質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果或有關假設， 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)，收集在原子多光子離化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。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上的關鍵性工作。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，該工作得到的波函數(shù)的相位與根據量子虧損理論計算的結果極為符合，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)的新的途徑”。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)”。