名古屋大学，愛媛大学，高輝度光科学研究センター，北海道大学は，大型放射光施設SPring-8におけるX線回折・散乱実験と第一原理計算によって，はじめて有機分子の価電子分布を観測した（ニュースリリース）。

原子はプラスの電荷をもつ原子核の周りをマイナスの電荷をもつ電子が取り巻いている。しかし，その実態は原子核の周りを雲のように取り囲んでいる。その電子の振る舞いを記述するためには量子力学が必要となる。この電子が主役となって原子を組み立てると固体や分子が形成される。

一方，原子が集まった分子の電子状態は，原子と同様に構成分子を取り囲むように電子雲が形成しているのか，研究グループは最先端の放射光X線回折実験を行ない，この分子を構成する電子分布を直接観測した。

原子間の相互作用は，原子の持つ電子の中でも価電子と呼ばれる最外殻電子が担う。研究グループは，世界最高峰の放射光X線回折実験をSPring-8で行なうことで，この価電子の空間分布を直接観測する手法「コア差フーリエ合成（CDFS）法」を確立した。

この手法を用いてアミノ酸の一種であるグリシン分子の電子状態を観測した。観測された電子雲は予想されたなめらかで分子全体を包み込むような形ではなく，切れ切れの離散状態になっていた。

炭素は周りの原子と結合を作る場合には，自分自身の電子雲を再構成して混成軌道を作る。この場合，最外殻電子であるL殻の電子は波動関数に基づく節を持つ。つまり，電子の波の性質によってL殻の分布には節があるため，混成した軌道においても電子が存在しない部分が存在する。

実験で得られた途切れ途切れの電子雲の分布状態は，電子の持つ量子力学的な波動性を証明しているという。実際に得られた電子雲が，真の姿を捉えているか否かを確認するために，最先端の量子化学計算を行ない，両者が一致することを確認した。

さらに少し複雑なシチジンと呼ばれる分子を対象として同様に実験と計算を行ない，炭素二重結合の中のπ電子のみを抽出することもでき，さらに炭素間の結合と炭素-窒素の結合の様子が異なることも明確に観測した。

研究グループはこの手法が今後，化学結合の本質を理解し，機能性材料の設計や反応メカニズムの解明に貢献するとしている。