Elektronu mākonis

Ūdeņraža atoma modelis, kur redzams protons (sarkans), elektrons (zils) un elektronu mākonis (tumšā krāsā).

Elektronu mākonis ir modelis, kurš apraksta elektronu kustību apkārt atoma kodolam. Elektronu mākoņa modelis atšķirībā no slavenā dāņu fiziķa Nilsa Bora sākotnēji piedāvātā atoma modeļa atšķiras ar to, ka Bora variantā elektroni riņķo apkārt atoma kodolam pa noteiktām trajektorijām. Savukārt elektronu mākoņa modelī nav zināma elektronu atrašanās vieta un to kustības trajektorija.

Elektronu mākoņa attēla iegūšana

Ilgu laiku kopš teorētiskā modeļa izstrādes nebija iespējams iegūt elektronu mākoņa attēlu. 2004. gadā pirmajiem uzņemt elektronu mākoņa attēlu izdevās Kanādas Nacionālās Pētniecības Padomes (NRC) zinātniekiem. Attēls tika iegūts ar jaunas tehnoloģijas palīdzību, apstarojot ar lāzera staru slāpekļa molekulu (N₂). Viņi uz slāpekļa molekulu raidīja ārkārtīgi īslaicīgu lāzera impulsu, kurš trāpīja elektronam, piešķirot tam enerģiju, kas uz īsu brīdi izsit to no orbitāles. Tūlīt pat elektrons atgriežas savā vietā, izstarojot enerģijas porciju. Analizējot šī starojuma mijiedarbību ar lāzera staru, zinātnieki aprēķina, cik elektroniem stars trāpījis un kur tie tobrīd atradušies.

Elektronu kustība atomos

Atoma kodols aizņem tikai 10⁻¹² no atoma telpas. Pārējā atoma daļā nemitīgā kustībā atrodas elektroni. Šī kustība ir visai īpatnēja un drīzāk atgādina viļņu izplatīšanos nekā daļiņu pārvietošanos. Mūsu ikdienas dzīvē šādas parādības nav novērojamas, un tāpēc elektronu kustību atomos precīzi nevar attēlot ar uzskatāmiem modeļiem.

Elektronu atomā var salīdzināt ar stāvviļņiem — kustība gan notiek, bet kopaina visā atoma telpā nemainās. Katrā atoma telpas punktā elektrons it kā rada noteiktu negatīvās elektrības lādiņu. Šī lādiņa blīvumu uzskata par elektrona atrašanās varbūtību. Taču to nedrīkst saprast tā, ka kaut kādā momentā elektrons kā daļiņa patiesi atrodas šajā atoma telpas punktā. Faktiski elektrons savā viļņveidīgajā kustībā ir vairāk vai mazāk nevienmērīgi izkliedēts visā atoma telpā un izkliedes raksturs laikā nemainās.

Zīmējumos elektrona atrašanās varbūtību mēģina parādīt ar punktējumu: jo šī varbūtība ir lielāka, jo intensīvāk punktē attiecīgo atoma telpas daļu. Bieži vien tad arī runā par elektrona mākoni, kura blīvumu attēlo punktējuma blīvums.

Jebkurš no atoma elektroniem savā viļņveidīgajā kustībā ir izkliedēts visā atoma telpā. Taču tā atrašanās varbūtības sadalījums ir atkarīgs no elektronam piemītošās enerģijas, kura var mainīties tikai pa noteiktām porcijām (kvantiem). Ja savienotu punktus, kuros elektronam ir viena un tā pati atrašanās varbūtība, tad atoma telpā izveidotos noteiktas virsmas. Šādas iedomātas virsmas ietvertu pilnīgi noteiktu atoma telpas daļu, kurā būtu pilnīgi noteikta elektrona atrašanās summārā varbūtība. Šāda atoma telpas daļa tiek saukta par orbitāli. Zīmējumos parasti parāda iedomāto virsmu, kas ietver orbitāli, ar summāro elektrona atrašanās varbūtību 0,9 jeb 90%. Orbitāles iekšienē elektrona atrašanās varbūtības sadalījums, protams, nav vienmērīgs, taču plaknes zīmējumos šo sadalījumu daudzmaz pareizi attēlot ir grūti.

Augšējā rindā ir attēlotas dažādas orbitāles

Orbitāle ir atoma telpas daļa, kurā elektrona atrašanās summārā varbūtība ir tuva vienam.

Tā kā elektrona atrašanās varbūtības sadalījums ir atkarīgs no elektrona enerģijas, tad no šīs enerģijas ir atkarīga arī orbitāle. Elektronu enerģijas dažādās vērtības parasti attēlo ar enerģijas līmeņiem un apakšlīmeņiem. Katram enerģijas līmenim ir viens vai vairāki apakšlīmeņi. Tieši enerģijas apakšlīmenis ir tas, kas nosaka orbitāles veidu.

Enerģijas līmeņus apzīmē vai nu ar arābu cipariem, vai arī ar burtiem: 1, 2, 3, ... vai K, L, M, .... Apakšlīmeņus apzīmē ar burtiem: s, p, d, f, .... Elektronus, kuriem piemīt attiecīgajam apakšlīmenim atbilstošā enerģija, sauc par s, p, d, f elektroniem. Tāpat arī atbilstošās orbitāles dēvē par s, p, d, f orbitālēm. Šādas orbitāles arī parādītas attēlā.

Katrā enerģijas līmenī ir viena s orbitāle. Tā ir atoma telpas daļa, kuru ietver lodes virsma. Atoma kodols atrodas šīs lodes centrā. Palielinoties enerģijas līmeņa numuram, palielinās s orbitāles lodes izmēri.

Sākot ar otro enerģijas līmeni, atomos atrodas arī trīs p orbitāles, kas orientējas savstarpēji perpendikulāri. Šo orientāciju parāda, saistot orbitāles ar koordinātu sistēmas asīm. Ja viena orbitāle atrodas ap $x$ asi ($p_{x}$ orbitāle), tad otra atrodas ap $y$ asi ($p_{y}$ orbitāle) un trešā - ap $z$ asi ($p_{z}$ orbitāle).

Sākot ar trešo enerģijas līmeni, atomā ir vēl arī piecas $d$ orbitāles. Trīs no tām atrodas starp koordinātu asīm (d_xz, d_yz, d_xy), ceturtā - ap divām asīm (d_{x² − y²}) un piektā ap trešo asi (d_z²).

Sākot ar ceturto enerģijas līmeni, eksistē arī septiņas f orbitāles.

Katrā orbitālē var atrasties vai nu viens, vai arī divi elektroni. Ja orbitālē atrodas tikai viens elektrons, tad šo elektronu sauc par nesapārotu. Divi elektroni veido elektronu pāri, un tos sauc par sapārotiem elektroniem. Sapāroties var tikai elektroni ar pretēji orientētiem spiniem, ko parasti parāda ar bultiņām: ↓↑. Tas, ka abi šie elektroni atrodas vienā orbitālē, nozīmē, ka viļņveidīgā kustība atomā tiem ir vienāda. Shematiskos zīmējumos orbitāli bieži vien parāda simboliski kā kvadrātu vai apli, kurā iezīmē bultiņas. Šāds simbolisks attēlojums, protams, nedod nekādu informāciju par orbitāļu telpisko veidu atomos.

Visiem viena enerģijas līmeņa un viena apakšlīmeņa orbitālēs esošajiem elektroniem ir viena un tā pati enerģija. Tā, piemēram, kaut arī p orbitāles ir trīs un tās ir savstarpēji perpendikulāri orientētas, visiem 2p elektroniem ir vienāda enerģija un arī visiem 3p elektroniem ir vienāda enerģija (tā gan ir lielāka nekā 2p elektroniem).