توضیح مدل ابر الکترونی

ابر الکترونی دقیقاً چیست؟ چرا اوربیتال‎ها را بصورت اشکالی که در فضا پخش شده‎اند نمایش می‎دهند؟ این مقاله را بخوانید تا پاسخ پرسشها را پیدا کنید.
فیزیک مدرن به ما می‎گوید که نمی‎توان رفتار دینامیک اتم‎ها، مولکول‎ها و همچنین ذرات درون اتمی مانند الکترون‎ها را با قوانین مکانیک کلاسیک فیزیک توصیف کرد. برای توصیف مکانیک حاکم بر این ذرات لازم است که در اصول مکانیک کلاسیک تغییرات بنیادین ایجاد کنیم، زیرا رفتار ذرات در مقیاس میکرو کاملاً با رفتار ذرات در مقیاس ماکرو متفاوت است. جانشین مکانیک کلاسیک، فیزیک کوانتوم است. تئوری مکانیک کوانتومی قادر است رفتار مولکول‎ها، اتم‎ها، و ذرات درون اتمی مانند الکترون‎ها را مدل کند.

اصل عدم قطعیت

هسته اصلی که فیزیک کوانتوم بر آن پایه‎گذاری شده است اصل عدم قطعیت می‎باشد. لازم است در ابتدا کمی راجع به این اصل بدانیم تا مفهوم تئوری مدل ابر الکترونی را به خوبی درک کنیم. در حین اینکه دانشمندان مشغول کنکاش عمیق‎تری راجع به دنیای میکروسکوپی بودند، متوجه شدند که راجع به اینکه چقدر و با چه دقتی می‎توانیم درباره جهان درون اتمی اطلاعات داشته باشیم یک محدودیت بنیادین وجود دارد. اصل عدم قطعیت که توسط هایزنبرگ کشف شد، نشان داد که شما نمی‎توانید همزمان بدانید که یک ذره با چه سرعتی حرکت می‎کند و در چه مکانی قرار دارد. یک عدم قطعیت بنیادین در تمام اندازه‎گیری‎های همزمان سرعت و مکان ذره وجود دارد که در ذات سیستم بوده و به عیوب دستگاه اندازه‎گیری ربطی ندارد. از دید ریاضی، اصل عدم قطعیت بصورت زیر نشان داده می‎شود:
Δx.Δp ≥ h/2π
که در آن Δx، عدم قطعیت در موقعیت ذره و Δp عدم قطعیت در مومنتم ذره بوده و h ثابت پلانک است و مقدار آن برابر m2 kg/s 34-10 × 626068ر6 می‎باشد. اگر به معادله بالا دقت کنید درمی‎یابید که عدم قطعیت مکان (Δx) و عدم قطعیت مومنتم (Δp) ذره هیچگاه نمی‎تواند کاملاً صفر شود. ضرب این دو کمیت همواره بایستی بزرگتر و یا مساوی با h/2π شود. وقتی موقعیت و مکان ذره بطور همزمان اندازه‎گیری می‎شود هیچگاه نمی‎توان اصل عدم قطعیت را حذف کرد و آن را نادیده گرفت. تمام کاری که فیزیک کوانتومی می‎تواند انجام دهد این است که احتمال مکان الکترونی را که به دور هسته در حال چرخش است به شما بگوید.

دوگانگی موج – ذره

این مسأله باعث شده است که ماهیت ذره زیر سؤال رود. دانشمندان امروزه فهمیده‎اند که ذرات رفتاری موج‎گونه دارند. همچنین قبلاً کشف شده بود که موج الکترومغناطیسی نیز مانند ذرات رفتار می‎کند (همان فوتون‎ها). در واقع تمام مواد این دوگانگی موج-ذره‎ای بودن را از خود نشان می‎دهند. از این رو فیزیکدانان دیگر از امور مسلم و یقینی صحبت نمی‎کنند، و به جای اینکه از مکان و موقعیت یک ذره سخن بگویند، راجع به ابر احتمالاتی حرف می‎زنند.

ابر الکترونی چیست؟

کوانتوم مکانیک غیرنسبیتی بر اصل عدم قطعیت پایه نهاده شده است. در این رشته، ما دیگر از مسیر ذرات صحبتی نمی‎کنیم، بلکه تنها احتمال وجود ذره در حجمی خاص را محاسبه می‎کنیم. محاسبه احتمال وجود الکترون حول هسته با استفاده از معادله شرودینگر انجام می‎شود.
مدل ابر الکترونی از حل معادله شرودینگر، برای اتم هیدروژن، بوجود آمد. این مدل ابر احتمالاتی حول اتم را، که ما اکنون می‎توانیم آن را "اوربیتال‎های اتم" بنامیم، پیش‎بینی می‎کند. الکترون‎ها به جای اینکه در یک مدار روشن و مشخص باشند، حول اتم و در یک ابر احتمالاتی پخش شده‎اند. فیزیکدانان فهمیدند که هر الکترون باید اعداد کوانتومی خاصی داشته باشد، و با توجه به ترازهای انرژیی که دارد، تنها در حجم خاصی حول اتم می‎تواند حضور داشته باشد. هر الکترون در یک ابر احتمالاتی در فضا گسترده شده است. مدل ابر، طرح اصلی است که امروزه جایگزین مدل شبه خورشیدی -که نیل بوهر آن را برای ساختارهای اتمی پیشنهاد داد- شده است.
در فیزیک جهان میکروسکوپی ما نمی‎توانیم مکان دقیق یک ذره را پیش‎بینی کنیم، و همچنین مفهوم مسیر، یک مفهوم منسوخ شده است. ما دیگر نمی‎توانیم از قطعیت‎ها صحبت کنیم، بلکه تنها می‎توانیم راجع به احتمالات سخن بگوییم. به همین دلیل هم هست که اگر کسی بخواهد مفهوم مسیر مکانیک کلاسیک را در فیزیک کوانتومی تصور کند، تبدیل به ابر می‎شود. محدودیت بنیادینی که اصل عدم قطعیت بیانگر آن است، در ذات طبیعت بوده و همین محدودیت است که باعث می‎شود تصور دقیق و روشنی که از مسیر داشتیم تیره و تار شده و تبدیل به ابر احتمالاتی شود. این به معنای آن نیست که فیزیک تسلیم این احتمالات شده است، بلکه تنها بدان معناست که ما با فهم قوانین فیزیک می‎توانیم تا این درجه پیش‎بینی کنیم.