什么是電子云？

當你想到一個原子時，你的頭腦可能會想象出一個中心核的圖像，周圍有一大堆電子旋轉。這就是我們在無數的科幻節目、漫畫書和電影中看到的畫面。這就是我們一生在大腦中強化的原子形象。

圖注：原子被普遍描繪成一堆圍繞中心原子核旋轉的電子

然而，隨著對此事的持續研究使科學界意識到，這實際上并不是原子的樣子。困惑？相信我，起初，我也是。我總是假設一個電子是一個完全圓的，微小的球體圍繞一個密集的原子核旋轉。事實證明，這種表示對原子的真實形象沒有多大的公正性。原子是由質子和中子組成的中心原子核，圍繞它是一個"概率霧"，其中電子有最高的發現機會。面積越密集，找到電子的機會就越大。這種濃密的“概率”霧被稱為電子云。

那些有好奇傾向的人（像我一樣）可能不喜歡這種簡單的解釋。我想沿著電子云的迷霧路徑更進一步，但讓我們從我們最早理解原子內部的電子開始，然后從那里前進。

梅子布丁原子模型

到1910年，科學家們發現了原子的兩個主要成分，正電荷質子和帶負電荷的電子（中子是在1932年由詹姆斯·查德威克發現的）。然而，科學家仍然對這些粒子在原子內是如何組織的感到困惑。J.J.湯姆森給出了第一個解釋，他說電子和質子均勻地分布在原子內，其形式有點像"梅子布丁"。

圖注：在梅子布丁模型中，電子和質子被假定均勻地分布在原子內盧瑟福的原子模型

為了驗證湯普森的假說，歐內斯特·盧瑟福進行了他舉世聞名的金箔實驗，他用α粒子轟擊了一塊金箔。

圖注：盧瑟福的金箔實驗裝置

如果梅花布丁模型確實準確，那么α粒子的偏轉就很少了。然而，盧瑟福觀察到，雖然一些α粒子確實不間斷通過，少數反彈回到其起源點。這種不一致導致盧瑟福提出了原子的新模型。粒子不間斷地經過的區域似乎基本上是空的，而它們偏轉或反彈的點似乎保持原子整體質量的高濃度。因此，他拋棄了梅花布丁模型，轉而支持我們在大眾媒體中看到的經典原子模型——一個被電子包圍的中央原子核。

圖注：在盧瑟福的模型中，電子在任意軌道上圍繞原子核旋轉波爾原子模型

雖然盧瑟福的模型獲得了廣泛的接受，他的一個學生，尼爾斯波爾，進一步細化了模型。他證明原子周圍的電子不會任意旋轉。相反，它們以非常具體的能級在定義明確的軌道中旋轉，即電子軌道是量化的。通過這個證據，玻爾的原子模型能夠解釋某些現象，如氫譜。然而，這是另一個討論。

圖注：在波爾的模型中，電子軌道被量化電子云

這些模型中的每一個都花費了數十年來解釋困擾科學界的大多數謎團。波爾的量化軌道模型非常直觀，看起來非常完美。然而，正如量子力學所揭示的，該模型遠非現實。以前所有原子模型都假定電子是一個粒子，其質量像行星系統一樣圍繞原子核旋轉。然而，在現實中，電子更像是圍繞原子核的密密云。

電子具有可測量的動能和動量，但它沒有表現出任何革命的假象。電子就像濃霧一樣包圍原子核。然而，讓我們搞清楚一件事——電子不是一個難以捉摸的粒子，我們可以在霧中尋找。它不是移動速度如此之快的目標，它看起來像一個模糊的云。事實上，電子是云。

圖注：原子核周圍的區域，其中電子最有可能被發現的是電子云電子云有質量嗎？

我們已經確定電子不是圍繞原子核旋轉的完美球體，而是一個密密麻麻的概率區域。那么，我們如何確定它的質量呢？電子云有質量嗎？各地的科學教科書自信地用大粗體字體說明電子的質量為9.11 X 10^(-31)千克，這是事實。 這就引出了一個問題，即是否整個云加起來重9.11 X 10^(-31)千克？是的。云的一部分呢？云的一部分能有小于電子的質量嗎？沒有。

事情從這變得有點難以理解。假設你有一個小勺子，你拿那個勺子，把它浸入25%的電子云區。然后，您的勺子是否含有相當于9.11 X 10^(-31)千克 的 25% 的重量？不。當勺子容納25%的電子云時，您的勺子有25%的幾率含有9.11 X 10^(-31)千克的電子質量。你可以擁有整個電子，也可以不擁有它。盡管它由云表示，但它不能分解為部分，因為云不是物理的。云只是說明電子真實狀態的最好方法。

當然，這是對電子云的一個非常簡單的解釋。量子力學的復雜世界在數學上將電子云表示為由概率控制的量子波函數。然而，這樣的數學似乎超出了本文范圍。我在這里的目標只是幫助你想象"電子"的真實是什么。

所以，下次有人要你想想一個原子時，不要想象出過時的圍繞中心核旋轉的電子的、不準確的圖像。想想電子云吧！