• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

elektronstruktur

Oprindelige forfattere JeOd og NEC Seneste forfatter Redaktionen

Elektronstruktur. Molekylorbitaldiagram for O2-molekylet. Energiniveaudiagrammet illustrerer, hvorledes atomorbitalerne på oxygen med elektronkonfigurationen 1s22s22p4 (orbital) vekselvirker, når to oxygenatomer nærmer sig hinanden, og der dannes et dioxygenmolekyle (O2) med molekylorbitaler 1σg, 1σu, 2σg osv. (markeret med rødt).

Elektronstruktur. Molekylorbitaldiagram for O2-molekylet. Energiniveaudiagrammet illustrerer, hvorledes atomorbitalerne på oxygen med elektronkonfigurationen 1s22s22p4 (orbital) vekselvirker, når to oxygenatomer nærmer sig hinanden, og der dannes et dioxygenmolekyle (O2) med molekylorbitaler 1σg, 1σu, 2σg osv. (markeret med rødt).

elektronstruktur, model til beskrivelse af elektroners rumlige placering og bevægelser i atomer, molekyler og faste stoffer. Elektronstrukturen har indflydelse på mange fysiske og kemiske egenskaber, fx et stofs stabilitet, reaktivitet, lysudsendelse og -optagelse samt elektriske og magnetiske egenskaber.

Forståelsen af elektronstrukturen i atomer bygger på Niels Bohrs postulater fra 1913, efter hvilke elektroner kun kan befinde sig i "stationære" tilstande eller baner omkring atomkernen. Hver tilstand er kendetegnet ved en bestemt energi. Bohrs atommodel (se atom) var udgangspunkt for at forklare det periodiske system. Behovet for en matematisk-fysisk beskrivelse af atomets elektronstruktur førte til udviklingen af kvantemekanikken i løbet af 1920'erne. Ifølge kvantemekanikken er elektronernes tilstande karakteriseret ved kvantetal, og hver tilstand i et atom kan kun indeholde én elektron (se Pauliprincippet). Et atom med atomnummeret Z har Z elektroner, som i atomets grundtilstand besætter de Z laveste energitilstande, således at atomets samlede energi er lavest mulig. Elektroner med lave energier opholder sig nærmest kernen og er kraftigst bundet til denne, mens elektroner med høje energier er i større afstand og løsere bundet. De yderste elektroner, valenselektronerne, indgår i dannelsen af kemiske bindinger i molekyler eller faste stoffer.

I molekyler vil valenselektronerne fra molekylets forskellige atomer besætte tilstande, som er fælles for hele molekylet, dvs. valenselektronerne mister tilknytningen til det atom, de kom fra. De fælles molekylære tilstande, som kan illustreres ved elektronbaner, der omslutter molekylets atomer, betegnes "molekylorbitaler" (efter eng. orbits 'baner'). Et molekyles egenskaber er i væsentlig grad bestemt af dets orbitaler, og beskrivelsen og beregninger af disse elektrontilstande inden for det felt, der kaldes kvantekemi, er derfor afgørende for forståelsen af bl.a. kemiske reaktioner.

Annonce

I faste stoffer besætter valenselektronerne såkaldte energibånd og har således ikke som i atomer og molekyler skarpe energiniveauer. Energibåndene er adskilt af energigab, hvor der ikke er elektrontilstande. I grundtilstanden indtager elektronerne de laveste energitilstande i båndene. Ved temperaturskalaens absolutte nulpunkt (T = 0 K) vil der være en karakteristisk elektronenergi, som adskiller besatte og ubesatte tilstande. Hvis denne energi ligger i det indre af et bånd, sådan at dette bånd kun er delvis besat, vil stoffet være elektrisk ledende og altså være et metal. Ligger energigabet derimod mellem to bånd, således at båndene ved T = 0 K enten er fuldt besatte eller helt tomme, er stoffet en isolator.

Faste stoffers elektronstrukturer kan bestemmes eksperimentelt ved spektroskopiske metoder og teoretisk ved båndstrukturberegninger. Ved beregningerne kan den rumlige elektronfordeling, den totale energi samt de kræfter, der virker på det enkelte atom, bestemmes. Herudfra kan også de atomare positioner forudsiges, og dermed hvilken krystalstruktur det faste stof vil antage ved givne ydre betingelser. Det benyttes bl.a. i forbindelse med undersøgelser af nye materialer, fx kunstigt skabte strukturer som halvledersupergitre og kvantebrønd-strukturer, som finder anvendelse i optoelektroniske komponenter. Ved studier af processer på overflader, fx katalyse og korrosion, indgår teoretisk og eksperimentel bestemmelse af elektronstrukturen som et vigtigt element.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Jens Oddershede, Niels Egede Christensen: elektronstruktur i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 20. august 2017 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=69793