Pojem "elektronová struktura" je, popravdě řečeno, poněkud kryptický a zavádějící. Nějak sám nevím, proč se používá - nejspíše z historických důvodů, tak už tomu obvykle bývá. Za prvé - nejde o "strukturu elektronu", jak by asi člověka zpočátku napadlo. Fyzika - pevnolátníka^(*) nezajímá elektron jakožto elementární částice, neví tudíž nic o různých leptonových číslech a supersymetriích a podobných věcech, v nichž se vychrochtává fyzik elementárních částic (jenž si - opět z historických důvodů - ovšem nechává říkat "fyzik vysokých energií"). Neboť právě ten se totiž ve skutečnosti zabývá strukturou elektronu. Mylná je ovšem i představa, že pojem "elektronová struktura" je přímou analogií krystalové struktury a že vlastně tedy jde o popis prostorového rozložení elektronů v pevné látce - nebo že snad zkoumáme jakési prostorové útvary čili struktury vytvářené elektrony (místo kostkami Lega).

    Dobrá, napsal jsem co pojem elektronová struktura v chápaní pevnolátkařů neznamená. Než se na věc podíváme poněkud pozitivněji, bude asi nutné předeslat pár poznámek:

• (Běžná) hmota se skládá z atomů. Pro účely tohoto textu vystačíme s představou atomu jako strašně malé kladně nabité kuličky, kolem níž po kruhových drahých obíhají ještě menší záporně nabité kuličky - elektrony. Poloměr těchto drah je o několik řádů větší než je poloměr atomového jádra. Čili si to celé lze představit ^(**) jako sluneční soustavu s tím, že Slunce je atomové jádro, planety jsou elektrony a místo gravitační síly to vše pohromadě drží síla elektrostatická. Ještě dodám, že každý atom má elektronů přesně tolik, aby jejich celkový záporný náboj právě kompenzoval kladný náboj jádra a izolovaný atom jako celek by tudíž byl elektricky neutrální. Poňátno?
• V plynu jsou ty atomy od sebe daleko, takže si vzájemné nepřekážejí. Od jednoho atomu ke druhému je to o hodně dál, než kolik činí rozměry atomů. Elektrony proto mohou kolem atomových jader kroužit po úplně stejných drahých, jako kdyby na světě byl jen ten jediný jejich atom a nic víc. Česky řečeno: Elektronu je úplně jedno, jestli ten jeho atom je izolovaný nebo jestli tvoří součást plynu. [Existenci molekul velkoryse pomíjím.]
• V pevné látce jsou atomy naopak velice blízko sebe. Tak blízko, že elektrony už nemohou nerušeně obíhat kolem těch "svých jader" a neustále narážejí na elektrony sousedních atomů. Jejich dráhy se proto musí změnit - už jsou jiné než u plynu či u volného atomu. Ty změny elektronových drah jsou někdy tak výrazné, že už se nedá ani mluvit o tom, že by elektron pořád ještě obíhal kolem jádra svého původního atomu, byť třeba po komplikované dráze. Je už od jádra zcela odtržený a volně se šmidlá kdesi ve volném prostoru mezi jádry. Ta jádra se ve srovnání s elektrony téměř nehýbají. Elektrony, které nezůstaly u svých jader, tam nyní přirozeně chybí, což znamená, že kladný náboj jádra už není zcela vykompenzovaný záporným nábojem elektronů kolem něj obíhajících elektronů. Lze tedy říct, že pevná látka je tvořena dvěmi ingrediencemi:
  1. nehybnými ionty, tvořenými jádry atomů a "hodnými" elektrony, které obíhají blízko svého původního jádra
  a
  2. víceméně volnými elektrony, které se mezi těmito ionty různě šmrdolí.
• Jak už možná tušíte, i existenci kapalin hodlám ve svém pojednání ignorovat. Jen schematicky: Kapalina je "někde mezi" - s tím, že má podstatně blíž pevné látce než plynům.

Tak - teď už víme úplně všechno. Ještě si klasifikaci toho, co lze najít uvnitř pevné látky, zrekapitulujme:

1. Máme tam atomová jádra. Jejich hmotnost činí více než 99,9% hmotnosti celé pevné látky. Atomová jádra se prakticky nehýbou⁽⁺⁾ a jsou rozmístěna určitým pravidelným způsobem. Tomuto rozmístění se říká krystalová struktura.
2. Kolem těch jader obíhají "zbytkové elektrony" - ty, které jsou k jádru silně vázány, pohybují se v jeho blízkosti a existence okolních atomů a jejich elektronů je příliš nevzrušuje. Těmto usedlým elektronům, které se tvrdošíjně drží máminy sukně, se říká vnitřní.
3. Atomová jádra spolu s vnitřními elektrony vytvářejí kladně nabité ionty (neboť ne všechny elektrony zůstanou poblíž svého "mateřského" jádra). Jak známo z elektrostatiky, stejně nabité ionty se odpuzují, tudíž zatím to vypadá na to, že se nám pevná látka hezky rychle rozletí.

4. A teď pozor:
   Za to, že se pevná látka nerozletí (Semtex nepočítaje), mohou ty toulavé elektrony - ty, které už dávno neví, ze kterého atomu vlastně pocházejí a které volně bloumají mezi ionty. Říka se jim valenční. Jak to přijde, že tyhle valenční elektrony udrží pevnou látku pohromadě, zde probírat nebudeme, ono to není zas tak triviální. Ovšem vzpomeneme-li si, že jsou záporně nabité, zatímco ty nehybné ionty jsou kladné, nezní to zas až tak nepřijatelně. A právě vlastnosti tohodle elektronového lepidla určují do značné míry vlastnosti pevné látky.

Než se dostaneme do finále (už to nebude dlouho trvat, vydržte!), musíme si něco říct ještě o jedné věci, která je např. mezi filosofy snad ještě populárnější než mezi fyziky: Ano, mám na mysli Heisenbergův princip neurčitosti.

Heisenbergův princip neurčitosti vystihuje zvláštní povahu elementárních částic a vůbec všech objektů, u nichž nelze zanedbat efekty kvantové mechaniky. Říká asi tolik, že kvantový systém (rozuměj elektron) lze úplně popsat buď zadáním jeho rychlosti nebo zadáním jeho polohy, ale nikoliv obou těchto charakteristik současně. To je proti běžné skutečnosti makrosvěta podstatný rozdíl: Policejní radar změří nejen rychlost Vašeho vozu, ale i jeho okamžitou polohu. Přestavte si, že by Vás zastavila hlídka s tím, že změřili, že jste jeli osmdesátkou - jenže by nebyli schopni s jistotou říct, zda to bylo ještě "před cedulí" nebo už za ní ... Tak přesně k tomu by docházelo, kdyby se auta chovala jako elektrony!

Tahle podivná vlastnosti elektronů je přímým důsledkem jejich vlnové povahy. Někdy se hovoří též o dualismu vlna - částice. Skutečný elektron si totiž nelze ve skutečnosti představovat jako kuličku, ale spíš jako vlnu, či ještě lépe jako kus vlny. A u vlny se také nedá pořádně říct, kde začíná a kde končí, že ano?
Má smysl ptát se na barvu hněvu? Nebo na sílu brambor? Či na poloměr dveří? Zkrátka - otázky, které si klademe, musíme přizpůsobit tomu, co zkoumáme. Zkoumáme-li elektrony v pevné látce, správná otázka zní: Jaké jsou rychlosti a energie elektronů, které můžeme v téhle pevné látce potkat? Kolik z nich má rychlosti a energii takovou a kolik jich má rychlost a energii makovou? To je to, na co má smysl se ptát. (Ve skutečnosti má smysl ptát se i na spoustu dalších věcí, a mimo jiné i na to, jaká je pravděpodobnost výskytu takových či makových elektronů v daném místě, což je jen chytře formulovaná otázka "kde ten elektron je?". Ale ono je to tak trošku zaobalené a já bych se do toho nerad zaplétal.)

Takže teď už nic nám už nebrání říct si, co chápeme pod pojmem elektronová struktura pevných látek:

Elektronová struktura pevných látek popisuje, kolik elektronů má ve zkoumaném vzorku určitou energii a určitou rychlost, připadně s jakou pravděpodobností se elektrony tohoto druhu nacházejí v určitém místě.