电子云是带负电荷的云吗

电子云是带负电荷的云吗

高中化学课本中用电子云来形象地描述原子核外电子的运动，不少同学在学习这段知识时，常会产生这样的一些疑问：什么是电子云？是带负电荷的云吗？如果不是带负电荷的云，那为什么用这种方法来描述核外电子的运动呢？电子云是怎么得到的？电子云图中的小黑点是否代表电子？

为了回答上述问题，就需从原子核外电子的运动特征入手分析。原子的质量很小，电子的质量就更小，只有约9．1×10^－31千克，约是质子质量的1／1836；原子核外电子运动的另一特征是活动范围狭小，一般仅在一个原子的范围内，即约为10－10米的区间内运动。由于原子（当然也包括分子）核外电子运动的以上两个特点，就使其运动所遵循的规律与我们日常所见的宏观物体，如行星、炮弹等完全不同。宏观物体有确定的运动轨迹，遵循牛顿力学规律；而原子核外电子没有确定的运动轨迹，在空间各处仅存在着一定的几率密度的分布，遵循的是量子力学规律。由于这两类物体的运动特征不同，故所采用的描述方法也不同。对于原子核外的电子运动就不能用电子运动的轨迹来描述，而只能从几率或几率密度的角度来描述，电子云就是形象地描述核外电子几率密度分布的一种图形。具体地说，根据原子核外不同位置电子出现几率密度（即单位体积内出现的几率）的大小，用小黑点的疏密来形象地表示这种几率密度上的差异。如氢原子核外只有1个电子，当氢原子在能量最低的状态下，这个电子在核外的几率密度分布如图1—9所示，这就是氢原子在能量最低时的电子云。从该电子云示意图可以看出，氢原子在此状态下，电子云呈球形，其中在原子核附近电子出现的几率密度最大，距核愈远，则电子出现的几率密度愈小。清楚了电子云图的物理意义，对于开始时所提的几个问题也就不难回答了。如，电子是微粒，因此电子云并不是弥散的、连续分布的云；每1个小黑点并不代表1个电子，氢原子核外仅有1个电子，这些小黑点的物理意义仅仅是用其疏密程度来形象地表示原子核外电子出现的几率密度的分布情况。

图1－9　氢原子的电子云示意图

电子云图是怎么得来的呢？由于原子中的电子的运动遵循量子力学规律，根据量子力学基本原理，可列出核外电子运动所遵循的方程——薛定谔方程，薛定谔（1887—1961）是奥地利的物理学家、量子力学的创史人之一。通过解此方程，可得到一系列以坐标为自变量的函数，我们习惯性地称这些函数为“原子轨道”，而这个函数的平方，则称为电子云函数，因电子云函数在空间各个位置的数值，即等于电子在该位置处出现的几率密度。这样，有了电子云函数，只要将空间一些位置上的几率密度值求出，即可根据空间不同位置几率密度的大小画出电子云图来。这里有两点需要说明一下，一是课本中介绍的采用多次照相的方法可得到电子云图，但这并不是电子云图的真正获得方法，因为实际上不可能有这种水平的照相机。这样介绍的目的，只是为了便于帮助初学者理解电子云的物理意义。另一点要说明的是，氢原子核外的电子，可有多种不同的能量状态，相应的电子云图也不同。图1—9给出的是电子在最低能量状态下的电子云，除球形的电子云外，还有“纺锤形”、“花瓣形”等不同形状的电子云，不要误认为电子在不同状态下的电子云形状完全一样。