Електронна хмарка

Електро́нна хма́рка (рос. электронное облако, англ. electron cloud) — графічне зображення області, де перебування електрона є найімовірнішим. Термін використовується для унаочнення розташування електронів (розподілу електронної густини в просторі) на молекулярних чи атомних орбіталях.

Фото електронної хмарки вуглецю:
     окремі атоми вуглецю (1);
     сігма-зв'язки (2);
     пі-зв'язок (3);
     вільний простір (4).
Праворуч наведено шкалу електронної густини

Просторовий розподіл густині електронної хмарки виникає через хвильову природу електрона, він є рішенням рівняння Шредінгера і визначає форму, фізичні та хімічні властивості квантових об'єктів: атомів, молекул та хімічних зв'язків. Електронна хмарка є реальним фізичним об'єктом і її густина вимірюється шляхом денситометрії.

Історія

Першу модель атома у вигляді хмарки, котру інколи називають моделлю Томсона (англ. plum pudding model), в 1904 році запропонував Джозеф Джон Томсон. Відкривши у 1897 році електрон, дослідник припустив, що негативно заряджені електрони, входять до складу атома. В 1911 році Ернест Резерфорд внаслідок експерименту з розсіяння альфа-частинок показав, що позитивно заряджена субстанція зосереджена в ядрі, яке принаймні у 3000 разів менше від розміру атома.

В 1926 році Ервіном Шредінгером та Вернером Гейзенбергом була розроблена квантова механіка, яка показала наявність обертального руху легких електронів навколо важкого ядра та відсутність в електронів орбіт. Електрони заповнюють весь об'єм атома і середовище, де знаходяться електрони, замість позитивно зарядженого «пудингу Томсона» почали називати негативно зарядженою електронною хмаркою. На сьогодні електрона хмарка є загально прийнятою моделлю атома. Вона полягає в тому, що стан електрона в атомі описує густина електронної хмарки ρ(x, y, z), яка визначається як квадрат модуля хвильової функції Ψ (q), яка знаходиться з рівняння Шредінгера.

Пряме пікоскопічне зображення електронної хмарки було отримано у 2018 році О. П. Кучеровим зі співавторами за допомогою денситометра. Виходячи з квантово-механічної теорії, хвильову функцію системи Ψ(q) було знайдено з рівняння Шредінгера та принципу суперпозиції. В результаті інтегрування хвильової функції системи Ψ(q) в загальному вигляді було знайдено інтенсивність пучка електронних променів I(x, y) залежно від густини електронної хмарки ρ(x, y):

I (x, y) = jnρ(x, y),

де j — інтенсивність пучка електронних променів; n — кількість електронів у хмарці.

Таким чином, інтенсивність пучка електронних променів на екрані денситометра в точці x, y прямо пропорційна густині електронної хмарки в стовпчику з підставою в точці x, y.

Властивості

Відповідно електронна хмарка є реально існуючим об'єктом. Вона відповідає за молекулярні, атомні орбіталі та їх енергетичні властивості. Виходячи з періодичного закону Д. І. Менделєєва форма електронної хмарки визначає властивості атомів вступати в хімічні реакції.

Примітки

1. https://www.researchgate.net/profile/Oleksandrp_Kucherov
2. Кучеров А. П., Лавровский С. Е. Пикоскопия — прямая визуализация молекул [ 16 квітня 2021 у Wayback Machine.] // Информаційнї технології та спеціальна безпека. — 2018. — № 4. — С. 12—41. (рос.)
3. Kucherov O. P., A. D. Rud A. D. Direct visualization of individual molecules in molecular crystals by electron cloud densitometry // Molecular Crystals and Liquid Crystals. — 2018. — Т. 1, № 10. — С. 40—47. DOI: 10.1080/15421406.2019.1578510 (англ.)
4. Kucherov O., Rud A., Gubanov V., Biliy M. Spatial 3d Direct Visualization of Atoms, Molecules and Chemical Bonds // American Journal of Applied Chemistry. — 2020. — Т. 8, № 4. — С. 94—99. DOI: 10.11648/j.ajac.20200804.11 (англ.)
5. патент України № 115602, від 27.02.2018 р [ 9 липня 2021 у Wayback Machine.]

Джерела

• Глосарій термінів з хімії / уклад. Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Дон. : Вебер, 2008. — 738 с. — .
• Білий М. У., Охріменко Б. А. Атомна фізика. — К. : Знання, 2009. — 559 с.