О Атомният модел на Шрьодингер е често срещана форма, използвана за обозначаване на описание на атома чрез решаване на уравнението на Шрьодингер, предложено от австрийския физик Ервин Шрьодингер през 1927 г. Уравнението е замислено въз основа на важни наблюдения, получени в рамките на квантовата механика, което дава стабилна обосновка за енергията на атома и електрона.
Атомът, замислен от Шрьодингер, се основава на двойствеността вълна-частица, на принципа на неопределеността, наред с други понятия, въведени в началото на 20-ти век. Той донесе голям напредък в разбирането на материята, тъй като проправи пътя за по-солидно разбиране на полиелектронните атоми, нещо, което не е възможно с атомния модел, предложен от Бор.
Прочетете също: Атомни модели — моделите, предложени за обяснение на структурата на атома
Теми на тази статия
- 1 - Обобщение на атомния модел на Шрьодингер
- 2 - Какъв е атомният модел на Шрьодингер?
-
3 - Експериментална основа за атомния модел на Шрьодингер
- Фотоелектричен ефект
- дуалност вълна-частица
- принцип на несигурност
- 4 - Характеристики на атомния модел на Шрьодингер
- 5 - Напредък на атомния модел на Шрьодингер по отношение на други атомни модели
Резюме за атомния модел на Шрьодингер
Атомният модел на Шрьодингер всъщност е описанието на атома и електроните чрез уравнението на Шрьодингер.
Уравнението на Шрьодингер е разработено чрез важни изследвания в областта на квантовата механика.
Двойствеността вълна-частица, принципът на несигурността, наред с други теории, са от съществено значение за създаването на уравнението на Шрьодингер.
Решавайки уравнението на Шрьодингер, е възможно да се опише енергията на атома, както и тази на електрона.
Въз основа на интерпретацията на уравнението на Шрьодингер може да се види, че електроните нямат определена орбита около атома, а по-скоро област на вероятност за съществуване наоколо от него.
Проучванията на Шрьодингер разширяват разбиране на атома, предложено от Бор, тъй като позволяват разбиране на поведението на полиелектронните атоми.
Какъв е атомният модел на Шрьодингер?
Атомният модел на Шрьодингер е общоприето име за описание на атомен модел, базиран на квантовата механика. Основната характеристика на този модел е математическата интерпретация на двойствеността вълна-частица, приета от електроните, повече по-специално, замяната на добре дефинирана траектория на електрона с вероятността за съществуване на електрона около сърцевина.
Подобно тълкуване започва чрез работата на австрийския учен Ервин Шрьодингер през 1927 г., след важен напредък в разбирането на материята в областта на квантовата механика, като фотоелектричния ефект, принципа на неопределеността и дуалността вълна-частица.
Разбирането на атомния модел на Шрьодингер не е тривиално, тъй като се подхожда към него в по-напреднали нива на изучаване на химията.
Не спирай сега... Има още след рекламата ;)
Експериментална основа за атомния модел на Шрьодингер
Преди проучванията на Ервин Шрьодингер имаше важен напредък в разбиране на материята в началото на 20 век. Такива експерименти поставиха началото на областта на теоретичното знание, известно като квантова механика, която дава интерпретации за поведението на частици близо до или под атомния мащаб. В тази специфична вселена законите на класическата физика, известна още като физика на Нютон, често не се прилагат или не са достатъчни, за да обяснят определени поведения.
Само за да добием представа, можем да кажем, че квантовата механика започва с тема, известна като ултравиолетовата катастрофа. Според класическата физика черно тяло (горещ обект) с температура, различна от нула, излъчва интензивно ултравиолетово лъчение, в допълнение към гама лъчение и рентгенови лъчи.
Това означава, че ние, хората, с температура от 36-37 °C, бихме светили в тъмното (последствие от нажежаемата жичка). Излишно е да казвам, че това е пълна глупост, защото ако беше така, нямаше да има тъмнина.
В този контекст, През 1900 г. Макс Планк създава концепцията за колко, преведено като „пакети енергия“, за да се обясни обменът на енергия между материя и радиация. Според неговата интерпретация, тяло при ниски температури (като нас) няма достатъчно енергия, за да излъчва високочестотна ултравиолетова радиация.
Така едно тяло може да излъчва високочестотна ултравиолетова радиация само когато придобие минимално необходимата енергия. В това състояние обменът на енергия между материята и околната среда се осъществява чрез пакети от радиационна енергия.
Енергийните пакети също носят разлика по отношение на класическата физика. Когато говорим за пакети енергия, това се отнася за енергия, която е квантована, тоест специфично е, има налагане на граници. В Нютоновата физика количеството енергия, обменено между два обекта, няма ограничения.
Фотоелектричен ефект
За да се даде устойчивост на теориите, предложени от Планк, бяха необходими повече доказателства. В този контекст се появи фотоелектричният ефект., който се занимава с изхвърлянето на електрони от метал чрез падане на ултравиолетово лъчение върху повърхността му.
Според наблюденията на тази теория не се изхвърлят електрони, докато излъчването не достигне честота с определена стойност, специфична за всеки метал. След като се достигне тази честота, електроните незабавно се изхвърлят и колкото по-интензивна е честотата на падащото лъчение, толкова по-бързо ще има изхвърленият електрон.
А обяснение за фотоелектричния ефект е дадено от Алберт Айнщайн. Според Айнщайн електромагнитното излъчване (светлината например е електромагнитно излъчване), използвано за изхвърляне на електрони, се състои от частици, известни като фотонии освен това всеки фотон може да се тълкува като пакет от енергия. Въз основа на изследванията на Планк беше възможно да се заключи, че фотоните на ултравиолетовото лъчение са по-енергични от фотоните на видимата светлина.
Когато се сблъскат с повърхността на метала, фотоните (съставни части на електромагнитното излъчване) обменят енергия с присъстващите там електрони. Ако енергията, погълната от електрона от сблъсък с фотоните, е достатъчно голяма, тогава той ще бъде изхвърлен. За да научите повече за фотоелектричния ефект, щракнете тук.
дуалност вълна-частица
Фотоелектричният ефект създаде силна основа, че електромагнитното излъчване е съставено от частици (фотони). Много други експерименти обаче показват, че електромагнитното излъчване се държи като вълна. От тези експерименти най-впечатляващият беше дифракцията - физическото явление, наблюдавано, когато вълна срещне препятствие или, според друго тълкуване, способността на вълните да преодоляват препятствия.
О Вълновият характер на светлината е известен от 1801 г, когато английският физик Томас Йънг осветява бариера с процеп. Когато преминава през този процеп, светлината претърпява дифракция. При всеки процеп, включително през който преминава светлината, дори дифрактирана, тя претърпява нова дифракция.
Като този, беше необходимо да се приеме ново поведение на електромагнитното излъчване: дуалността вълна-частица. Оттам френският учен Луи дьо Бройл разширява тази концепция, като предполага, че всички частици също трябва да се разбират като притежаващи вълново поведение.
Хипотезата на де Бройл набира сила през 1925 г., когато американските учени Клинтън Дейвисън и Лестър Гермер доказа, че електронен лъч е способен да претърпи дифракция, когато преминава през единичен кристал от никел.
Това възприятие беше от съществено значение, за да се стигне до заключението, че по-тежките частици, като молекулите, също са способни да претърпят дифракция и следователно да проявяват вълнообразно поведение. За да научите повече за двойствеността вълна-частица, щракнете тук.
принцип на несигурност
В класическата физика е лесно да определите траекторията на частица. В квантовия свят обаче, в който частиците също се държат като вълни, тяхната траектория вече не е толкова прецизна. Това защото няма смисъл да говорим за местоположението на вълна.
Например, на китара, когато дърпате струна, вълната се разпространява по цялата й дължина. Ако една частица има същото поведение, дори няма начин да се определи точно нейното местоположение знаейки неговия линеен импулс (количество, което смесва маса и скорост).
Следователно електронът, който също има двойствен характер, няма определена орбита/път около атомното ядро, както мнозина вярват. Адуалността тогава създава несигурност относно точната позиция на частицата.
Тази несигурност в дефиницията на позицията е незначителна за много тежки тела, но напълно значима за тела с атомен размер или субатомен, тоест ако знаете, че частицата е на определено място, в определен момент, вече няма да знаете къде ще бъде в следващия моментално.
От тази дилема произтича принципът на неопределеността., установен от немския физик Вернер Хайзенберг през 1927 г. Според този принцип не е възможно да се знае позицията и линейния импулс на частица без граница на грешка, т.е. ако едното свойство е известно, другото не е. За да научите повече за принципа на неопределеността, щракнете тук.
Характеристики на атомния модел на Шрьодингер
Тъй като поради двойствения характер на частицата вече не беше възможно да се определи конкретна траектория за нея, през 1927 г. австрийският учен Ервин Шрьодингер замени тази точна траектория с вълнова функция, представена с гръцката буква psi (ψ), като стойностите на тази функция варират според позицията. Пример за вълнова функция е синусовата функция на х.
След това ученият Макс Борн създаде физическа интерпретация на вълновата функция, заявявайки, че квадрат на функцията ψ, тоест ψ², би било пропорционално на вероятността за намиране на частица в регион. По този начин ψ² се разбира като плътността на вероятността за намиране на частица в даден регион. Тъй като това е плътност на вероятността, стойността на ψ² трябва да се умножи по обема, за да се получи истинската вероятност.
За да изчисли вълновата функция, Шрьодингер разработи уравнение, опростено, както следва:
Hψ = Eψ
Hψ трябва да се чете като "психамилтониан" и описва кривината на вълновата функция. Хамилтонианът е математически оператор, точно като плюс, минус, логаритъм и т.н. Дясната страна ни носи съответната енергия.
Решението на това уравнение ни води до важен извод: частиците могат да имат само дискретни енергииs, тоест добре определени енергии или квантувани, а не някаква стойност. Тези специфични енергийни стойности са известни като енергийни нива. Това е налагане на вълновата функция, тъй като тя трябва да се побере в определен регион на пространството. В класическата механика един обект може да има произволна стойност на обща енергия.
Като този, един електрон не може да има никаква енергия, но добре дефинирани енергийни нива. Тъй като вълновата функция трябва да пасне на област от пространството, не забравяйте, че a електронът е ограничен вътре в атом чрез силите на привличане, които има за ядрото.
Енергийните нива на атома могат да бъдат изчислени чрез подходящо решаване на уравнението на Шрьодингер. В този случай се забелязва, че разделителната способност достига ново уравнение, което показва, че енергията на всяко ниво в атома зависи от цяло число, наречено н, което потвърждава идеята, че енергийните нива имат специфични стойности.
По този начин присвояването на положителни стойности на н (1, 2, 3...), е възможно да се изчисли енергията на атомните нива. Параметърът н сега се нарича главно квантово число, тъй като в крайна сметка е свързано с всяко атомно ниво, разрешено за атом.
Към вълновите функции на електроните се наричат атомни орбитали, чиито математически изрази също се получават чрез решаване на уравнението на Шрьодингер. Атомната орбитала представя разпределението на електрона в атома, тоест областта на вероятността за съществуване на електрон в атома. Атомните орбитали могат да имат различни форми и енергии, също получени чрез уравнението на Шрьодингер.
За всяко енергийно ниво н (Спомняйки си това н може да бъде 1, 2, 3...), има н поднива. Във всяко подниво има орбитали с различна форма. Няма ограничение за различните орбитали, но с известните досега атоми химиците използват само четири от тях, обозначени с буквите с, П, д то е f.
Така, например, на ниво н = 1, има само едно подниво, така че има само орбитала с. Сега за нивото н = 2, има две поднива, като присъстват орбиталите с то е П.
Напредък на атомния модел на Шрьодингер по отношение на други атомни модели
Както е споменато, Шрьодингер не представя непременно модел, а математическа интерпретация. за наблюдавани явления, засягащи природата на частиците. Следователно интерпретацията му става сложна, тъй като самото уравнение на Шрьодингер се нуждае от напреднали математически познания за разрешаването му и дори за тълкуването му.
както и да е Изследванията на Шрьодингер донесоха голяма устойчивост, за да оправдаят енергията на атомите и електроните подаръци. Например разделителната способност на уравнението на Шрьодингер потвърждава атомния модел на Бор за водородния атом и други хидрогеноидни атоми (тези, които имат само 1 електрон). Подобно на Шрьодингер, Бор достига до допустимите нива на енергия за водородния атом.
Атомният модел на Бор обаче не е в състояние да достигне електронни нива за атоми с повече от 1 електрон и по този начин демонстрира основната си слабост. Когато присъстват два електрона, е необходимо да се вземе предвид електронното отблъскване между тях, параметър, който може да се добави към математическото разбиране, предложено от Шрьодингер.
Друг важен момент от изследванията на Шрьодингер е адаптирането на квантовите концепции, като двойствеността на частицата, както и точната траектория на електрона. Определението за атомна орбитала е много важно за разбирането на структурата на всички атоми. А плътността на вероятността (ψ²) ни помага да разберем как електроните заемат атомни орбитали в полиелектронни атоми, носейки по-конкретна информация за енергията на електрона.
От Стефано Араухо Новаис
Учител по химия
Научете повече за структурата на атома и основните му съставни частици: протони, неутрони и електрони.
Познайте еволюцията на атомния модел в историята.
Щракнете и научете за основните характеристики на атомния модел на Ръдърфорд и експеримента, който позволява формулирането му.
Разберете какви са основните характеристики, проблеми и от кои аспекти е предложен атомният модел на Томсън!
Влезте и се запознайте с атома на Бор, който е атомен модел, базиран на постулати, които успешно описват водородния атом.
