Как движутся электроны в атоме?
Принято говорить, что атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны.
Движение электронов вокруг ядра принято сравнивать с движением планет вокруг Солнца.
Траектории, по которым вращаются планеты, называются орбитами.
А траектории, по которым вращаются электроны, называют орбиталями.
Орбиты планет всегда имеют форму эллипса.
А у орбиталей формы более разнообразные.
Орбитали могут иметь форму шара, форму восьмерки, форму двух перекрещивающихся восьмёрок, и другие формы.
Однако движение электронов по орбиталям можно лишь условно считать аналогичным движению планет по орбитам.
Дело в том, что движение электрона подчиняется законам квантовой механики, и поэтому принципиально отличается от всех привычных для нас типов движения.
Согласно квантовой механике, частицу нельзя рассматривать как находящуюся в какой-то одной определённой точке пространства.
А движение частицы нельзя рассматривать как перемещение из одной точки в другую.
В каждый момент времени частица находится одновременно во всех точках своей траектории.
Она как бы размазана по некоторой области поостранства.
Поэтому движение электрона вокруг ядра не есть переход его из одной точки в другую.
Вообще о движении электрона можно говорить лишь условно.
На самом деле, электрон в каждый момент времени просто находится во всех тех точках вокруг ядра, где он в принципе может находиться.
Точки, в которых может находиться (и находится) тот или иной электрон, зависят от его энергии.
Разные электроны в атоме имеют разную энергию.
Поэтому для каждого электрона есть свой набор точек, в которых он находится.
Таким образом, орбиталь - эта совокупность точек вокруг ядра, в которых находится электрон с определённой энергией.
Таким образом, каждая орбиталь характеризуется энергией, которую должен иметь электрон, чтобы на ней находиться.
Если в атоме какая-то орбиталь является свободной (то есть на ней не находится никакой электрон), то это означает, что в атоме нет электрона с такой энергией, которая нужна, чтобы находиться на этой орбитали.
Итак, электрон в атоме на самом деле не движется по орбитали, а находится одновременно во всех её точках.
Особенностью квантовой механики является не только то, что частица не движется по траектории, а находится сразу во всех точках своей траектории, но и то, что о местонахождении частицы можно говорить лишь вероятностно.
Квантовая частица никогда не находится в той или иной точке со стопроцентной вероятностью, а лишь с какой-то долей вероятности.
Например, если частица находится одновременно в двух точках, то говорят, что она с вероятностью пятьдесят процентов находится в одной точке, и с вероятностью пятьдесят процентов - в другой.
А если частица находится одновременно в десяти точках, то вероятность нахождения в каждой из них будет десять процентов.
Так же обстоит дело и с атомным электроном.
Электронная орбиталь состоит из очень большого количества точек, поэтому вероятность нахождения электрона в каждой её точке не велика.
Кроме того, чем дальше от ядра находится орбиталь, тем больше её площадь, то есть тем из бо́льшего количества точек она состоит.
А значит, тем меньше вероятность для каждой точки этой орбитали, что электрон в ней находится.
Поэтому образно говорят, что у орбитали, которая находится дальше от ядра, плотность меньше, чем у орбитали, которая находится ближе к ядру.
Кроме того, вероятности нахождения квантовой частицы в разных точках не обязательно одинаковые.
В каких-то точках частица находится с бо́льшей вероятностью, а в каких-то - с меньшей.
Например, в одной точке частица может находиться с вероятностью девяность процентов, а в другой - с вероятностью десять процентов.
Но сумма вероятностей находиться во всех допустимых точках всегда равна ста процентам.
Помимо перечисленного, положение электрона в атоме имеет ещё одну особенность.
Эта особенность заключается в том, что электрон находится одновременно не только во всех точках орбитали, но ещё и в соседних к орбитали точках.
То есть электрон находится также и в точках, находящихся немного за орбиталью и немного перед орбиталью.
То есть электрон размазан как бы не только по самой орбитали, но и по соседним к ней точкам.
Однако вероятность местонахождения электрона в этих соседних точках намного ниже, чем в точках самой орбитали.
И чем дальше от орбитали находятся точки, тем меньше вероятность того, что электрон в них находится.
Можно сказать, что орбиталь - это совокупность точек, где электрон находится с максимально возможными вероятностями.
Об электронной орбитали вместе с соседними точками образно говорят как об электронном облаке.
Принципиальное отличие электронного облака от орбитали состоит в том, что орбиталь - это двухмерная поверхность вокруг ядра, а облако - это трёхмерный объект, имеющий толщину.
О вероятности, что электрон находится в той или иной точке облака, образно говорят как о плотности облака.
Поэтому говорят, что плотность облака не является везде одинаковой, а резко уменьшается по мере удаления от точек орбитали.
Кроме того, облака, находящиеся дальше от ядра, в целом являются менее плотными, чем облака, находящиеся ближе к ядру.