分 子 的 電 子 軌 道 的 第 一 幅 影 像
First image of electron orbitals of molecules
九 九 年 九 月 September 1999

  光 和 物 質 的 相 互 作 用

美 國 亞 利 桑 那 州 立 大 學 的 科 學 家 ， 使 用 電 子 聚 合 光 束 折 射 (convergent beam electron diffraction) 和 X 射 線 折 射 (X-ray diffraction) 技 術 ， 成 功 拍 攝 到 第 一 幅 在 分 子 內 的 電 子 軌 道 的 影 像 。

根 據 量 子 力 學 (quantum mechanics) 的 原 理 ， 在 原 子 (atom) 核 心 (nucleus) 周 圍 的 電 子 (electrons) 運 轉 得 很 快 ， 不 可 能 在 任 何 指 定 的 位 置 看 到 ， 只 可 以 在 指 定 的 區 域 內 找 到 電 子 ， 這 個 區 域 被 稱 為 電 子 軌 道 雲 (orbital cloud) 。

量 子 力 學 是 適 用 於 原 子 尺 度 的 力 學 系 統 ， 它 是 描 述 原 子 、 分 子 (molecule) 等 物 質 的 性 質 及 現 象 ； 量 子 力 學 是 以 機 率 (probability) 的 方 式 來 描 述 自 然 現 象 ， 和 傳 統 的 物 理 學 (physics) 區 別 很 大 ， 因 為 傳 統 的 物 理 學 是 可 以 精 確 地 計 算 出 每 個 物 體 的 特 性 。

科 學 家 是 使 用 一 種 稱 赤 銅 礦 (cuprite) 的 物 質 進 行 研 究 ， 赤 銅 礦 是 一 種 超 電 導 陶 瓷 (ceramic superconductor) ； 亞 利 桑 那 州 立 大 學 (Arizona State University) 科 學 家 的 發 現 ， 提 供 解 決 赤 銅 礦 是 否 由 離 子 鍵 (ionic bond) 或 共 價 鍵 (covalent bond) 組 成 的 爭 論 的 第 一 個 實 驗 証 據 ， 一 般 的 理 論 預 測 赤 銅 礦 只 有 離 子 鍵 ， 但 是 從 科 學 家 拍 攝 到 的 影 像 顯 示 ， 共 價 鍵 不 單 是 在 氧 (oxygen) 和 銅 (copper) 的 原 子 間 存 在 ， 也 在 銅 原 子 間 存 在 ； 科 學 家 的 發 現 ， 將 會 改 寫 化 學 教 科 書 。

像 赤 銅 礦 的 金 屬 氧 化 物 (metal oxides) 有 很 多 有 趣 的 電 和 磁 的 特 性 ， 它 們 有 很 大 的 實 用 值 值 ， 例 如 製 造 電 腦 磁 盤 (computer disks) 、 電 腦 記 憶 (computer memory) 系 統 、 電 馬 達 (electric motor) 和 磁 計 測 計 (magnetic sensor) 等 ； 了 解 這 些 氧 化 物 的 原 子 結 構 ， 可 幫 助 科 學 家 發 展 超 電 導 的 材 料 。

上 圖 所 見 ， 是 科 學 家 拍 攝 到 赤 銅 礦 的 電 子 雲 ， 粉 紅 的 地 方 是 顯 示 銅 原 子 間 的 共 價 鍵 的 電 子 雲 ， 啞 鈴 形 狀 的 電 子 雲 是 顯 示 銅 和 氧 原 子 間 的 共 價 鍵 的 電 子 軌 道 ； 下 圖 所 見 ， 是 單 一 電 子 軌 道 的 影 像 。

Photos courtesy of Arizona State University

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