Elektronelektronrepulsionen

Elektron-elektronrepulsionen är den elektromagnetiska kraft som verkar mellan elektroner på grund av deras negativa laddning. Enligt Coulombs lag uppträder repulsionen mellan två elektroner med kraften F = k e^2 / r^2, där r är avståndet mellan elektroner; den associerade potentialenergien är proportional med 1/r. I atomer och molekyler bidrar denna repulsion till att motverka kärnladdningens attraktionskraft och formar den elektroniska strukturen.

I kvantmekaniken måste man beskriva flera elektroner med en gemensam vågfunktion. Elektron-elektron-interaktionen läggs till i Hamiltonianen som en term som summeras över alla elektronpar. Det gör det möjligt att exakt lösa två-elektron-system som helium, men för fler elektroner krävs approximeringar. Vanliga metoder är Hartree-Fock och olika post-Hartree-Fock-tekniker där varje elektron upplever en genomsnittlig repulsion från övriga elektroner. Density functional theory (DFT) är ett alternativ som beskriver repulsionen genom en exchange-correlation-funktional.

Elektron-elektronrepulsionen ger flera viktiga konsekvenser. Avskärmning gör att elektronernas effektiva kärnladdning varierar med avstånd, vilket påverkar orbitalernas storlek och energinivåer. Eftersom elektroner är fermioner och har antiparallella eller parallella spinn uppstår exchange-energi, och kvantmekaniska korrelationer mellan elektronernas rörelser minskar den totala repulsionen. Dessa effekter påverkar kemisk bindning, molekylgeometri och reaktionshastigheter.

I större system är elektron-elektronrepulsionen central inom kvantkemi och materialvetenskap. Den bidrar till fenomen som elektronkorrelation, Mott-inslagning och andra many-body-effekter. Teoretiskt används metoder som HF, DFT och post-HF för att beräkna elektronfördelning och energier, medan experiment studerar effekterna genom spektroskopi och bindningsenergier.