elektronfördelningar

Elektronfördelningar avser hur elektroner är fördelade i olika fysiska system, från enskilda atomer till metaller och molekyler. Fördelningen kan beskrivas både som hur elektronernas energi och kvanttal är fördelade (energifördelning) och hur sannolikt det är att hitta en elektron i ett visst område i rummet (rumslig fördelning). Denna fördelning styr materialets kemiska och fysiska egenskaper, såsom reaktivitet, färg, ledningsförmåga och spektrala kännetecken.

Inom atomerna följer elektronfördelningen koncepten elektronskal, subskal och kvanttal enligt kvantmekanikens regler. Begrepp som Aufbau-principen, Hunds regel och Pauli-exklusionsprincipen avgör vilka energinivåer som fylls och hur många elektroner varje orbital kan rymma. Den rumsliga fördelningen av elektronmolnet beskrivs av densitetsfunktionen ρ(r), vilket indikerar sannolikheten att hitta en elektron i olika delar av rummet. Orbitalernas geometriska former (s, p, d, f) ger upphov till riktningar och tätheter i electron density runt kärnan.

I fasta ämnen används ofta en energifördelning som beskriver sannolikheten att ett visst energinivå är ockuperad av en elektron. Fermi-Dirac-fördelningen f(ε) beskriver ockupationen vid temperatur T och kemisk potential μ: f(ε) = 1 / (exp[(ε−μ)/(kT)] + 1). Vid T = 0 är alla tillstånd med ε under Fermienergien EF fyllda, och vid finite temperaturer blir övergångarna mellan fyllda och tomma tillstånd gradvisa. Dessa fördelningar är centrala för att förstå elektronisk densitet, ledningseffekt och spektroskopiska egenskaper hos material.