Чем отличается электронное облако от атомной орбитали и что у них общего

Электронное облако и атомная орбиталь - два тесно связанных понятия, описывающих состояние электрона в атоме с точки зрения квантовой механики. Рассмотрим их подробнее и определим, что между ними общего, а чем они отличаются.

Электронное облако

Электронное облако - это область пространства вокруг ядра атома, где сосредоточена основная часть электронной плотности. Иными словами, это та зона, где наиболее вероятно обнаружить электрон данного атома. Форма и размеры облака зависят от энергии и других характеристик состояния электрона.

Наглядно электронное облако можно представить как размытое пятно интенсивности электронной плотности вокруг ядра атома. Его изображают с помощью изолиний или трехмерных моделей, на которых видно распределение заряда.

Атомная орбиталь

Атомная орбиталь описывает конкретное квантовое состояние электрона в атоме. Для него определены такие характеристики, как энергия, форма и размер соответствующего электронного облака, значения квантовых чисел.

Таким образом, если облако показывает где находится электрон, то орбиталь описывает как он находится в атоме, в каком именно состоянии.

Сходство между понятиями

Электронное облако и атомная орбиталь тесно взаимосвязаны. Орбитали задают конкретные состояния электрона, а облака являются наглядным выражением этих состояний в виде конфигурации электронной плотности вокруг ядра.

В обоих случаях речь идет об описании поведения электрона в атоме на основе квантовой механики. Если в классической физике электроны рассматривались как частицы, движущиеся по орбитам, то теперь их можно представить как "размазанные" по орбиталям электронные облака.

Различия между понятиями

Главное отличие в том, что электронное облако - это визуализация квантового состояния, а атомная орбиталь - математическая модель этого состояния. Облако мы можем увидеть (например, с помощью методов спектроскопии), а саму орбиталь - только описать с помощью уравнений.

Еще одно различие в том, что орбиталь задает строго определенное, стационарное состояние электрона с конкретным набором квантовых чисел. А облако отражает среднюю картину плотности нахождения электрона в некотором объеме пространства в течение некоторого времени.

Кроме того, одна орбиталь соответствует только одному электронному облаку определенной формы и энергии. А общее электронное облако атома складывается из облаков всех его электронов на разных орбиталях.

Примеры орбиталей и соответствующих облаков

• 1s-орбиталь имеет сферическое облако вокруг ядра;
• 2p-орбитали соответствуют трем гантелеобразным облакам, ориентированным по осям x, y, z;
• 3d-орбитали - пяти сложным облакам с симметрией четырехугольника, треугольника и т.д.

Таким образом, атомная орбиталь задает квантовое состояние электрона, а электронное облако визуализирует это состояние. Между этими важными понятиями есть много общего, но и ряд принципиальных отличий.

Электронное облако vs атомная орбиталь

Подводя итог, отметим, что различия между рассмотренными понятиями весьма условны. Главное, что электронное облако и атомная орбиталь - это два способа описания поведения электронов в атоме на языке квантовой физики.

Форма электронных облаков

Форма электронного облака напрямую связана с формой соответствующей атомной орбитали. Рассмотрим некоторые примеры.

У 1s-орбитали сферическая форма, поэтому электронное облако также имеет форму сферы или шара вокруг ядра. Это самый простой случай.

У р-орбиталей форма более сложная, напоминающая пережатую посередине "гантель". Соответственно, облака имеют вытянутую форму вдоль осей x, y и z. В целом электронная плотность р-облака симметрична относительно ядра.

Еще более изогнутые облака соответствуют d- и f-орбиталям, отражая их сложные многоугольные и пространственные формы.

Размеры и плотность облаков

Чем выше энергия орбитали, тем больше размер соответствующего электронного облака и ниже его средняя плотность. Это связано с ослаблением связи электрона с ядром при увеличении энергии.

Например, размер 3р-орбиталей и плотность их облаков больше, чем у 1s-орбитали. При одинаковой главной квантовой числе размер возрастает в ряду s -> p -> d -> f, а плотность, наоборот, убывает.

Также с увеличением числа электронов на подуровне происходит некоторое уплотнение и уменьшение общих размеров облака за счет электростатического отталкивания.

Динамичность электронных облаков

В отличие от стационарных орбиталей, электронные облака - динамичные образования. Электроны в атоме находятся в непрерывном движении, поэтому границы облаков размыты.

При возбуждении или ионизации атома происходят изменения конфигурации орбиталей и соответствующего распределения электронного заряда. Например, электроны могут переходить на орбитали большего размера.

Тем не менее, в основном состоянии размеры и форма электронных облаков стабильны и соответствуют параметрам атомных орбиталей.

Наблюдение облаков экспериментально

Несмотря на отмеченную разницу между облаками и орбиталями, последние можно визуализировать опосредованно. Дело в том, что конфигурация облаков определяется квантовыми состояниями электронов на орбиталях.

Поэтому с помощью спектрального анализа, дифракции электронов и других методов можно "увидеть" структуру атомных орбиталей в реальных атомах и молекулах, наблюдая распределение электронной плотности.

Облака и орбитали - две стороны одной медали

Как видно из приведенных фактов, электронное облако и атомная орбиталь теснейшим образом связаны между собой. По сути, они описывают один и тот же физический объект - состояние электрона в атоме - с разных сторон.

Отличаются эти понятия в основном способом описания: облака - визуально, орбитали - математически. Но с физической точки зрения это лишь две грани единого явления поведения электронов в веществе на квантовом уровне.