مدل ابر الکترونی

پیش از پرداختن به توضیح این مدل لازم است درباره نیروهایی که الکترون‎ها را کنار هم نگه می‎دارد اطلاعاتی داشته باشیم. همچنین می‎توانید قبل از کنکاش در مورد مدل ابر الکترونی، برای فهم بهتر آن به مطلب "اجزاء تشکیل‎دهنده یک اتم" مراجعه کنید.
 

چه چیز ذرات درون اتم را به یکدیگر مقید می‎سازد؟

جواب این سوال نیروی الکترومغناطیسی است. نیروی جاذبه‎ای که بین الکترون‎ها و پروتون‎های واقع در هسته وجود دارد، آنها را در کنار یکدیگر در یک اتم نگه می‎دارد. نیروی جاذبه‎ای وارد شده به یک الکترون، با فاصله آن از هسته اتم نسبت عکس دارد. بنابراین انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون از اتم نیز با فاصله آن الکترون از اتم نسبت عکس دارد.
 

مدل ابر الکترونی چیست؟

این مدل ابزاری در اختیار ما قرار می‎دهد که بتوانیم درک خوبی از مکان الکترون‎ها در داخل اتم داشته باشیم. این مدل کاملاً ملموس بوده و نقشه مکان احتمالی الکترون حول اتم را بدست می‎دهد. از این مدل برای توصیف احتمال وجود الکترون در اطراف هسته اتم استفاده می‎شود. به مکانی که الکترون در آن یک موج ایستای سه بعدی تشکیل می‎دهد، یعنی جایی که الکترون نسبت به هسته حرکتی ندارد، ابر الکترونی گویند. در این مدل الکترون‎ها بصورت ذراتی که در مدار ثابتی حول هسته هستند درنظر گرفته نمی‎شوند، بلکه بر اساس کوانتوم مکانیک تنها می‎توان از احتمال وجود الکترون در مکانی خاص صحبت کرد، که این واقعیت با وجود "ابر الکترونی" مجسم می‎شود.

مدل ابر الکترونی از مفهوم اوربیتال استفاده می‎کند که منظور از آن فضایی حول هسته اتم است که احتمال حضور الکترون در آن بیشتر است. اوربیتال در واقع یک تابع ریاضی است که رفتار موج‎گونه الکترون‎های یک اتم را توصیف می‎کند. به کمک این تابع می‎توان احتمال وجود الکترون در ناحیه خاص را محاسبه کرد. واژه "اوربیتال" را می‎توان به نواحی فیزیکی اطلاق کرد که می‎توان الکترون را در آنجا یافت. این نواحی با نامهای s، p، d و f نام‎گذاری شده‎اند. اوربیتال s کروی و اوربیتال p دمبلی شکل هستند. اوربیتال d دو گره گوشه‎دار و اوربیتال f سه گره دارد.
 

چه کسی مدل ابر الکترونی را ابداع کرد؟

• واژه ابر الکترونی اولین بار توسط ریچارد فاینمن، فیزیکدان امریکایی و برنده جایزه نوبل، در کتاب "سخنرانی‎های فایمن درباره فیزیک" (Feynman lectures on physics)، استفاده شد.

• تلاشهای دانشمندان برجسته‎ای همچون ارنتست رادرفورد، نیلز بوهر، ورنر هایزنبرگ، و دیگران موجب شد که ساختار مدل کامل شده و بتواند مکان الکترون‎ها را در داخل اتم حدس بزند.

• کار تامسون، فیزیکدان انگلیسی، بر روی امواج کاتد، منجر به کشف الکترون در سال 1897 گردید. تا آن زمان تصور می‎شد که اتمها، واحدهای تقسیم‎نشدنی ماده هستند. کشف او انقلابی در دنیای دانش ایجاد کرد و اثبات کرد که این تصور اشتباه بوده است.

• در سال 1909 رادرفورد نشان داد که بارهای مثبت و همچنین جرم یک اتم در مرکز آن متمرکز شده است، و الکترون‎ها به دور مرکز اتم در حال چرخش هستند.

• بوهر، فیزیکدان دانمارکی، پیشنهاد داد که مدارهای چرخش الکترون به مدارهای خاصی محدود هستند، و الکترون‎ها می‎توانند با جذب و یا گسیل انرژی از مداری به مدار دیگر منتقل شوند، و بدین وسیله مدل رادرفورد را اصلاح کرد.

• شرودینگر ایده‎ای را بنها نهاد که مدل ابر الکترونی حاصل آن بود. در این مدل هسته با ابر الکترونی محصور شده است. ابر نشان‎دهنده مکانهایی از اتم است که احتمال حضور الکترون در آنجا وجود دارد. چگالی بیشتر الکترون در یک مکان خاص حاکی از این است که احتمال پیدا کردن الکترون در آن ناحیه بیشتر است.
• هایزنبرگ، که به خاطر اصل عدم قطعیتش معروف است، اظهار داشت که امکان ندارد مقدار دقیق مکان و ممنتوم یک ذره در یک زمان را بدست آورد و این واقعیت را به مدل ابر الکترونی اضافه کرد. او پیشنهاد داد که تنها می‎توان احتمال حضور الکترون را در حجم خاصی یافت. طبق این اصل، تنها راه توصیف موقعیت الکترون در یک اتم، توزیع احتمال است. این اصل پایه‎های مدل ابر الکترونی را بنیان نهاد.
 

بنابراین می‎بینیم که مدل ابر الکترونی مدل قابل درکی است که احتمال مکانهای الکترون‎ها را در یک اتم به ما می‎دهد. در این مدل الکترون‎ها بصورت ذراتی که در مدارهای ثابتی حول هسته در حال گردش هستند درنظر گرفته نمی‎شوند. این مدل جدید، پذیرفته‎ترین مدل پیشنهادی توصیف اتم است که تمام توضیحات گذشته، راجع به ساختار اتمی را بازسازی کرد.