Electronendichtheid

Electronendichtheid, ρ(r), is een functie die de verdeling van elektronen in de ruimte beschrijft. Voor een systeem met N elektronen is de integraal van ρ(r) over de hele ruimte gelijk aan N, en ρ(r) is altijd niet negatief. Het geeft aan hoeveel elektronen zich gemiddeld op een klein volume bevinden. De functie wordt vaak uitgedrukt in electronen per kubieke Ångström (e/Å^3).

In quantummechanica is ρ(r) gerelateerd aan de many-electron golffunctie Ψ via ρ(r) = N ∫ |Ψ|^2 dτ_2...dτ_N. Daardoor is ρ(r) een fundamenteel object in de beschrijving van de elektronische structuur. In atomen en moleculen is ρ(r) doorgaans hoog nabij de kern en verdeelt zich vervolgens over de chemische bindingen en lone pairs. Theoretisch kan ρ(r) worden berekend met ab initio methoden of met densiteitsfunctiealtheorie (DFT), waarbij de energie als functionaal van ρ(r) wordt gemaximaliseerd of geminimaliseerd onder beperkingen.

Experimentel kan ρ(r) worden bepaald door X-ray diffractie, waarbij de structuurfactoren F(hkl) worden gemeten en ρ(r) wordt verkregen door Fourier-synthese of via geavanceerde modelleer­technieken zoals multipoolmodellen om de electron density te beschrijven. Elektronendichtheidsstudies leveren inzicht in bindingen, anisotropie van elektronenverdichting en valentie-elektronen.

Toepassingen van electronendichtheid omvatten het analyseren van binding en reactiviteit, het interpreteren van kristalstructuren, en het uitvoeren van topologische analyses (bijv. Bader’s atoms in molecules) om elektrische en chemische eigenschappen van moleculen en materialen te begrijpen.