電子在原子中的分布(電子雲)是如何被觀測的?

時間 2021-05-11 05:53:21

1樓:智商稅

恕我直言,2px這種為了實數化硬從兩個復變波函式相互加減得到的東西,可能是只有用作圖軟體才能畫出來的吧。

電子雲理論我確實不願意相信它是真理,但是怎奈平方算符作用在波函式上取實部就代表了軌道上這個電子出現在空間各點的概率...

2樓:「已登出」

A是並五苯的化學結構

B 圖為實驗獲得的並五苯STM(掃瞄隧道顯微鏡,Scanning tunneling Microscopy)影象

C D是並五苯的Non-Contact AFM (無接觸原子力顯微鏡 Non-contact Atomic force microscopy ) 影象

非常適合回答這個問題,就是做這個研究的。

要探測電子雲,方法有許多。任何與電子相關的現象都可以用來探測電子的軌道。比如一些答案中提到的XRD衍射方法。可以提供軌道的資訊。

但我估計題主更希望直觀的了解,電子雲在實際空間是如何分部的,電子雲的樣子是怎樣的。

目前最接近可以看到軌道的形狀的顯微技術就是,掃瞄隧道顯微鏡(STM)

STM的原理是,利用極細金屬針尖逐漸靠近材料表面。當這個距離在幾個埃時,就會有量子遂穿效應。就會有微小的電流產生,而這個電流的大小,是依賴於電子某個軌道的電子波函式與針尖金屬原子的S軌道波函式的卷積。

這意味著,所測得的電流反應了電子的態密度。

嚴格來說, STM看到的並不嚴格是軌道。而是某個軌道波函式與金屬針尖原子的軌道卷積。

但是的確可以通過已知的金屬針尖原子的軌道波函式去反推被探測物的軌道波函式。

STM可以通過調節不同的偏壓,來實現對特定軌道的成像。比如佔據軌道或者空軌道。

比如這個並五苯,a中的最高佔據分子軌道 (HOMO)和b中的最低未佔據分子軌道 (LUMO)的空間分布是不同的

並且,STM測得的軌道形狀和理論計算的非常接近。

另外NC AFM雖然看不到具體軌道的形狀,但也可以更好的看出分子骨架。它主要是與利用CO分子作為探針去靠近電子雲。這會讓高頻音叉的振動頻率改變,其改變大小和CO分子與被測分子之間的距離有關。

就是電子雲之間的排斥和吸引力。

比如這個coronoid分子結構,AFM看的非常清晰。但其實電子雲不是如此。這是看到的分子骨架。

所以AFM非常適合區分細節的結構。比如有機分子的五元六元環。例如下面這個分子

但其實,目前真正要說實空間看到或者反映了軌道的,還是STM。

這倆都是人類的極限分辨顯微鏡。沒有之一。

和non-contact atomic force microscope

3樓:

這麼說吧,x射線衍射成像,就是x射線和電子雲相互作用發生散射,然後在螢幕上呈現出特定的影象。數學上,散射成像就是電子雲函式的傅利葉轉換。那麼反過來,有了成像結果(幾極個別情況下,因為傅利葉轉換後是復函式,而目前的裝置只能測量復函式的模,也就是能量,測量不了復函式的虛部),乙個傅利葉反轉換,就能計算出物質的電子雲函式。

當然,現實遠比我說的難。

4樓:gyroscope

X射線衍射(XRD)照出來的就是電子雲的分布,這是因為X射線是光子,光子是和電荷作用。所以XRD照出來的是電子雲的密度,根據這個就可以反推出分子結構。不過由於氫原子電子雲密度很低,一般照不出來,所以XRD無法分辨羥基,氨基,甲基這些等電子體。

電子是帶電粒子,受到電場力的作用。所以電鏡(TEM,Cryo-EM等等)照出來的是電場強弱的分布(主要是原子核附近的電場比較強)。中子是核子,受到核力的作用,和電子作用很微弱,而核力是一種短程力。

所以中子衍射照出來的是原子核的位置。中子雖然不帶電,但具有磁矩,這使得中子衍射可以照出磁場的分布。

5樓:

@梁昊 大神的回答對學過大學水平物理的人來說應該足夠棒棒了。

如果答主仍糾結經典和量子,不妨參考物理學史。如果電子作為電荷做經典的圓周運動,那麼必然產生電磁波,電子的能量將不斷變成光能向外擴散,軌道越來越低,最後墜落到原子核上。也就是說不存在穩定的「圓周軌道」。

關於多體相互作用說:第一,氫原子核只有乙個質子,然而仍具備量子效應;第二,經典原子核的經典相互作用結果可以用統計力學刻畫,混沌和量子是兩回事。導致量子力學的是諸如自旋-軌道角動量(磁矩)等非連續物理量的出現。

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