Elektronipilvet

Elektronipilvet ovat kvanttimekaan tilakuvauksia, jotka kuvaavat elektronien todennäköisyyspilviä atomin ytimen ympärillä. Ne korvaavat klassisen kiertoradalla perustuvan kuvan ja osoittavat, että elektroni ei sijaitse tarkasti, vaan esiintyy todennäköisyytenä, jonka tiheys vaihtelee tilan mukaan.

Tiheys ja orbitaalit: Elektronien todennäköisyys löytää elektroni tietyltä etäisyydeltä ytimeen määritellään tiheydellä ρ(r)=|ψ(r)|^2. Schrödingerin yhtälön ratkaisut tuottavat atomiorbitaaleja, joita on s-, p-, d- ja f-tyypeissä. S-orbitaalit ovat pallonmuotoisia; P-orbitaalit ovat suunnattuja alueita; D- ja F-tilat ovat monimutkaisempia. Orbitaaleja kuvaavat kvantnumeeriset arvot n (pääkuori), l (kulmanmomentin kvanttiluku), ml (magnetinen kvanttiluku) sekä elektronin spin. Näiden perusteella määritellään energiat ja elektronien sijainnit.

Merkitys: Pilvien muoto ja tiheys määräävät atomien kemialliset ominaisuudet ja molekyylien sidosrakenteet. Ne selittävät ionisaatioenergian, elektronien vastaanottamisen ja reaktiivisuuden sekä periodisten trendien taustan. Elektronipilviä hyödynnetään laajasti laskennallisessa kemiassa ja spektroskopiassa, esimerkiksi tiheysfunktionaalisissa (DFT) ja ab initio -laskelmissa sekä sidosmuotojen tulkinnassa.

Historia: Elektronipilvet kehittyivät 1920-luvulla kvanttimekaniikan kehityksen myötä. Erityisesti Schrödingerin aaltofunktio, Bornin todennäköisyysinterpretointi ja Heisenbergin epävarmuusperiaate muokkasivat käsityksen elektronien tiloista.