Τι είναι το Electron Cloud;

Το νέφος ηλεκτρονίων είναι ένα σύννεφο πιθανοτήτων που περιβάλλει τον πυρήνα σε ένα άτομο όπου κάποιος έχει τη μεγαλύτερη πιθανότητα να βρει ένα ηλεκτρόνιο.

Όταν σκέφτεστε ένα άτομο, το μυαλό σας πιθανώς δημιουργεί μια εικόνα ενός κεντρικού πυρήνα με μια ολόκληρη δέσμη ηλεκτρονίων να περιστρέφεται γύρω του. Αυτή είναι η εικόνα που έχουμε δει σε αμέτρητες εκπομπές επιστημονικής φαντασίας, κόμικς και ταινίες. Αυτή είναι η εικόνα ενός ατόμου που είχαμε ενισχύει στον εγκέφαλό μας όλη μας τη ζωή. Ακόμη και ο ήρωας των κόμικ Atom αποφάσισε να αναπαραστήσει τον εαυτό του χρησιμοποιώντας αυτή την κλασική εικόνα του ατόμου.

Ένα άτομο απεικονίζεται ευρέως ως μια δέσμη ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από έναν κεντρικό πυρήνα (Φωτογραφία:Yurchanka Siarhei/Shutterstock)

Ωστόσο, καθώς η συνεχής έρευνα για το θέμα έχει κάνει την επιστημονική κοινότητα να συνειδητοποιήσει, στην πραγματικότητα δεν είναι έτσι το άτομο. Ταραγμένος? Πιστέψτε με, αρχικά, ήμουν κι εγώ. Πάντα πίστευα ότι ένα ηλεκτρόνιο είναι μια τέλεια στρογγυλή, μικροσκοπική σφαίρα που περιστρέφεται γύρω από έναν πυκνό πυρήνα. Όπως αποδεικνύεται, αυτή η αναπαράσταση δεν δικαιώνει ελάχιστα την αληθινή εικόνα ενός ατόμου.

Το άτομο έχει έναν κεντρικό πυρήνα που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Γύρω του είναι μια «ομίχλη των πιθανοτήτων» όπου ένα ηλεκτρόνιο έχει τις μεγαλύτερες πιθανότητες να βρεθεί. Όσο πιο πυκνή είναι η περιοχή, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα εύρεσης ηλεκτρονίου. Αυτή η πυκνή ομίχλη των πιθανοτήτων ονομάζεται σύννεφο ηλεκτρονίων .

Η περιοχή γύρω από τον πυρήνα όπου είναι πιο πιθανό να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο ονομάζεται σύννεφο ηλεκτρονίων (Photo Credit :dani3315/Shutterstock)

Όσοι έχουν μια περίεργη κλίση (όπως εγώ) μάλλον δεν είναι ευχαριστημένοι με μια τόσο απλοϊκή εξήγηση. Θέλω να πάω πιο κάτω στην ομιχλώδη διαδρομή του νέφους ηλεκτρονίων, αλλά ας ξεκινήσουμε από την πρώτη μας κατανόηση των ηλεκτρονίων μέσα σε ένα άτομο και ας προχωρήσουμε από εκεί.

Το μοντέλο Plum Pudding of the Atom

Μέχρι το έτος 1910, οι επιστήμονες είχαν ανακαλύψει δύο κύρια συστατικά του ατόμου, τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια και τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια (το νετρόνιο ανακαλύφθηκε πολύ αργότερα το 1932 από τον James Chadwick). Ωστόσο, η κριτική επιτροπή ήταν ακόμα έξω για το πώς αυτά τα σωματίδια ήταν οργανωμένα μέσα στο άτομο. Μία από τις πρώτες εξηγήσεις δόθηκε από τον J. J. Thompson, ο οποίος δήλωσε ότι τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια είναι ομοιόμορφα απλωμένα μέσα σε ένα άτομο, σε μια μορφή που μοιάζει κάπως με «πουτίγκα δαμάσκηνου».

Στο μοντέλο της πουτίγκας δαμάσκηνου, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια θεωρούνταν ομοιόμορφα κατανεμημένα εντός του ατόμου (Photo Credit :public domain/Wikimedia Commons)

Το μοντέλο του ατόμου του Rutherford

Για να ελέγξει την υπόθεση του Thompson, ο Ernest Rutherford διεξήγαγε το παγκοσμίου φήμης πείραμά του με φύλλο χρυσού, στο οποίο βομβάρδισε ένα κομμάτι φύλλου χρυσού με σωματίδια άλφα.

Ρύθμιση του πειράματος του Rutherford's Gold Foil (Φωτογραφία:Sergey Merkulov/Shutterstock)

Εάν το μοντέλο της πουτίγκας δαμάσκηνου ήταν όντως ακριβές, θα υπήρχε μικρή έως καθόλου εκτροπή των σωματιδίων άλφα. Ωστόσο, ο Ράδερφορντ παρατήρησε ότι ενώ ορισμένα σωματίδια άλφα διέρχονταν χωρίς διακοπή, μερικά επανήλθαν στο σημείο προέλευσής τους. Αυτή η ασυνέπεια οδήγησε τον Ράδερφορντ να προτείνει ένα νέο μοντέλο του ατόμου. Οι περιοχές όπου τα σωματίδια περνούσαν αδιάλειπτα φαινόταν να είναι σε μεγάλο βαθμό κενές, ενώ τα σημεία στα οποία εκτρέπονταν ή αναπήδησαν φαινόταν να διατηρούν υψηλή συγκέντρωση της συνολικής μάζας του ατόμου. Έτσι, απέρριψε το μοντέλο της πουτίγκας δαμάσκηνου προς όφελος του κλασικού ατομικού μοντέλου που βλέπουμε στα δημοφιλή μέσα ενημέρωσης - έναν κεντρικό πυρήνα που περιβάλλεται από ηλεκτρόνια.

Στο μοντέλο του Rutherford, τα ηλεκτρόνια περιστρέφονταν γύρω από τον πυρήνα σε αυθαίρετες τροχιές (Photo Credit :Tschub/Shutterstock)

Το μοντέλο του ατόμου του Bohr

Ενώ το μοντέλο του Rutherford κέρδισε ευρεία αποδοχή, ένας από τους μαθητές του, ο Neils Bohr, βελτίωσε περαιτέρω το μοντέλο. Απέδειξε ότι τα ηλεκτρόνια που περιβάλλουν το άτομο δεν περιστρέφονται αυθαίρετα. Μάλλον, περιστρέφονται σε καλά καθορισμένα τροχιακά σε πολύ συγκεκριμένα ενεργειακά επίπεδα, δηλ. τα τροχιακά είναι κβαντισμένα. Μέσω αυτής της απόδειξης, το μοντέλο του ατόμου του Bohr ήταν σε θέση να εξηγήσει ένα συγκεκριμένο φαινόμενο, όπως το φάσμα του υδρογόνου. Ωστόσο, αυτή είναι μια εντελώς άλλη συζήτηση.

Στο μοντέλο του Bohr, τα τροχιακά ηλεκτρονίων κβαντίστηκαν (Photo Credit :sophielaliberte/Shutterstock)

Το σύννεφο ηλεκτρονίων

Καθένα από αυτά τα μοντέλα εξήγησε τα περισσότερα από τα μυστήρια που μπέρδευαν την επιστημονική κοινότητα για δεκαετίες. Το κβαντοποιημένο τροχιακό μοντέλο του Bohr ήταν τόσο διαισθητικό που φαινόταν τέλειο. Ωστόσο, όπως αποκάλυψε η κβαντομηχανική, το μοντέλο απείχε πολύ από την πραγματικότητα. Όλα τα προηγούμενα μοντέλα του ατόμου υπέθεταν ότι το ηλεκτρόνιο είναι ένα σωματίδιο με μια καλά καθορισμένη μάζα που περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα σαν ένα πλανητικό σύστημα. Στην πραγματικότητα, ωστόσο, το ηλεκτρόνιο μοιάζει περισσότερο με ένα πυκνό σύννεφο πιθανοτήτων που περιβάλλει τον πυρήνα.

Ένας πυρήνας που περιβάλλεται από ένα σύννεφο ηλεκτρονίων πιθανοτήτων (Φωτογραφία:Media Whalestock/Shutterstock)

Το ηλεκτρόνιο έχει μετρήσιμη κινητική ενέργεια και ορμή, αλλά δεν παρουσιάζει καμία εμφάνιση περιστροφής. Το ηλεκτρόνιο απλώς περιβάλλει τον πυρήνα του ατόμου σαν μια πυκνή ομίχλη. Ωστόσο, ας ξεκαθαρίσουμε ένα πράγμα - το ηλεκτρόνιο δεν είναι ένα άπιαστο σωματίδιο που μπορούμε να αναζητήσουμε στην ομίχλη. Δεν είναι ένας στόχος που κινείται τόσο γρήγορα ώστε να μοιάζει με θολό σύννεφο. Στην πραγματικότητα, το ηλεκτρόνιοείναι το σύννεφο.

Έχει μάζα ένα νέφος ηλεκτρονίων;

Έχουμε διαπιστώσει ότι ένα ηλεκτρόνιο δεν είναι μια τέλεια σφαίρα που περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα, αλλά μάλλον μια πυκνή νεφελώδης περιοχή πιθανοτήτων. Λοιπόν, πώς μπορούμε να εξακριβώσουμε τη μάζα του; Έχει μάζα ένα νέφος ηλεκτρονίων; Τα εγχειρίδια επιστήμης παντού απεικονίζουν με σιγουριά με μεγάλες έντονες γραμματοσειρές ότι ένα ηλεκτρόνιο έχει μάζα 9,11 X 10–31 kg. Αυτό είναι αλήθεια.

Ωστόσο, αυτό θέτει το ερώτημα, ζυγίζει ολόκληρο το σύννεφο μαζί 9,11 Χ 10–31 κιλά; Ναί. Τι γίνεται με ένα μέρος του σύννεφου; Μπορεί ένα μέρος του νέφους να έχει μάζα μικρότερη από το ηλεκτρόνιο; Όχι πραγματικά.

Τα πράγματα γίνονται λίγο πιο ομιχλώδη από εδώ. Ας πούμε ότι έχετε ένα μικρό κουτάλι. Παίρνετε αυτό το κουτάλι και το βυθίζετε στο 25% της περιοχής του νέφους ηλεκτρονίων. Έχει τότε το κουτάλι σας βάρος ίσο με 25% 9,11 Χ 10–31 κιλά; Όχι. Όταν το κουτάλι σας συγκρατεί το 25% του νέφους ηλεκτρονίων, το κουτάλι σας έχει 25% πιθανότητα να περιέχει μάζα ηλεκτρονίων 9,11 X 10–31 kg. Μπορείτε είτε να κατέχετε ολόκληρο το ηλεκτρόνιο είτε κανένα από αυτά. Παρά το γεγονός ότι αντιπροσωπεύεται από ένα σύννεφο, δεν μπορεί να αναλυθεί σε μέρη, καθώς το σύννεφο δεν είναι φυσικό. Ένα σύννεφο είναι απλώς ο καλύτερος τρόπος για να απεικονιστεί η πραγματική κατάσταση ενός ηλεκτρονίου.

Φυσικά, αυτή ήταν μια πολύ απλοποιημένη εξήγηση ενός νέφους ηλεκτρονίων. Ο πολύπλοκος κόσμος της κβαντικής μηχανικής αναπαριστά μαθηματικά το νέφος ηλεκτρονίων ως μια κβαντική κυματική συνάρτηση που διέπεται από πιθανότητες. Ωστόσο, τέτοια μαθηματικά φαίνονται εκτός του πεδίου εφαρμογής αυτού του κομματιού. Ο στόχος μου εδώ ήταν απλώς να σας βοηθήσω να οραματιστείτε το «ηλεκτρόνιο» για αυτό που πραγματικά είναι.

Έτσι, την επόμενη φορά που κάποιος σας ζητήσει να σκεφτείτε ένα άτομο, μην δημιουργήσετε αυτή την ξεπερασμένη, ανακριβή εικόνα ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από έναν κεντρικό πυρήνα. Σκεφτείτε το σύννεφο ηλεκτρονίων αντ' αυτού!