O Schrödingers atommodel er en almindelig form, der bruges til at betegne beskrivelse af atomet ved at løse Schrödinger-ligningen, foreslået af den østrigske fysiker Erwin Schrödinger i 1927. Ligningen er udtænkt baseret på vigtige observationer opnået inden for kvantemekanikken, hvilket giver en robust begrundelse for atomets og elektronens energi.
Atomet udtænkt af Schrödinger er baseret på bølge-partikel-dualiteten, på usikkerhedsprincippet, blandt andre begreber opfundet i begyndelsen af det 20. århundrede. Det bragte store fremskridt i forståelsen af stof, da det banede vejen for en mere solid forståelse af polyelektroniske atomer, noget der ikke er muligt med den atommodel, som Bohr har foreslået.
Læs også: Atommodeller - modellerne foreslået for at forklare atomets struktur
Emner i denne artikel
- 1 - Sammenfatning af Schrödingers atommodel
- 2 - Hvad er Schrödingers atommodel?
-
3 - Eksperimentelt grundlag for Schrödingers atommodel
- Fotoelektrisk effekt
- bølge-partikel dualitet
- usikkerhedsprincippet
- 4 - Karakteristika for Schrödinger-atommodellen
- 5 - Fremskridt af Schrödingers atommodel i forhold til andre atommodeller
Resumé om Schrödingers atommodel
Schrödingers atommodel er faktisk beskrivelsen af atomet og elektronerne gennem Schrödinger-ligningen.
Schrödinger-ligningen blev udviklet gennem vigtige undersøgelser inden for kvantemekanik.
Bølge-partikel-dualiteten, usikkerhedsprincippet, blandt andre teorier, var afgørende for skabelsen af Schrödinger-ligningen.
Ved at løse Schrödinger-ligningen er det muligt at beskrive atomets energi såvel som elektronens.
Baseret på fortolkningen af Schrödinger-ligningen kan det ses, at elektroner ikke har en bestemt bane omkring atomet, men derimod et område med sandsynlighed for eksistens omkring fra ham.
Schrödingers undersøgelser udvider forståelse af atomet foreslået af Bohr, da de tillader en forståelse af polyelektroniske atomers adfærd.
Hvad er Schrödingers atommodel?
Schrödinger-atommodellen er et almindeligt navn for beskrivelse af en atommodel baseret på kvantemekanik. Det vigtigste kendetegn ved denne model er den matematiske fortolkning af bølge-partikel-dualiteten, der er vedtaget af elektroner, mere specifikt udskiftningen af en veldefineret bane for elektronen med sandsynligheden for eksistens af elektronen omkring kerne.
En sådan fortolkning begyndte gennem den østrigske videnskabsmand Erwin Schrödinger's arbejde i 1927 efter vigtige fremskridt i at forstå stof inden for kvantemekanik, såsom den fotoelektriske effekt, usikkerhedsprincippet og dualitet bølge-partikel.
Forståelsen af Schrödingers atommodel er ikke triviel, idet den nærmes på mere avancerede niveauer af studiet af kemi.
Stop ikke nu... Der er mere efter reklamen ;)
Eksperimentelt grundlag for Schrödingers atommodel
Før studierne af Erwin Schrödinger var der vigtige fremskridt inden for forståelse af materien i begyndelsen af det 20. århundrede. Sådanne eksperimenter indledte området for teoretisk viden kendt som kvantemekanik, som bringer fortolkninger af partiklers adfærd tæt på eller under atomskalaen. I dette specifikke univers gælder den klassiske fysiks love, også kendt som newtonsk fysik, ofte ikke eller er ikke tilstrækkelige til at forklare visse adfærd.
Bare for at få en idé kan vi sige, at kvantemekanikken starter med et emne kendt som den ultraviolette katastrofe. Ifølge klassisk fysik udsender et sort legeme (varmt objekt), med en temperatur forskellig fra nul, intens ultraviolet stråling ud over gammastråling og røntgenstråler.
Det betyder, at vi mennesker, med vores temperatur på 36-37 °C, ville lyse i mørket (konsekvens af glødende). Det er overflødigt at sige, at dette er fuldstændig nonsens, for hvis det var, ville der ikke være noget mørke.
I denne sammenhæng, I 1900 skabte Max Planck konceptet hvor meget, oversat som "pakker af energi", for at forklare udvekslingen af energi mellem stof og stråling. Ifølge hans fortolkning har en krop ved lave temperaturer (som os) ikke nok energi til at udsende højfrekvent ultraviolet stråling.
Et legeme kan således kun udsende højfrekvent ultraviolet stråling, når det opnår den mindst nødvendige energi. I denne tilstand sker udvekslingen af energi mellem stof og omgivelser gennem pakker af strålingsenergi.
Energipakker bringer også en forskel i forhold til klassisk fysik. Når man taler om energipakker, refererer det til energi, der er kvantiseret, det vil sige, at det er specifikt, der er pålagt grænser. I newtonsk fysik har mængden af energi, der udveksles mellem to objekter, ingen begrænsninger.
Fotoelektrisk effekt
For at give robusthed til teorierne foreslået af Planck, var der behov for mere bevis. I denne sammenhæng dukkede den fotoelektriske effekt op., som omhandler udstødning af elektroner fra et metal gennem indfald af ultraviolet stråling på dets overflade.
Ifølge observationerne af denne teori udstødes ingen elektroner, før strålingen når en frekvens af en bestemt værdi, specifik for hvert metal. Når denne frekvens er nået, udstødes elektronerne straks, og jo mere intens frekvensen af den indfaldende stråling er, jo hurtigere vil den udstødte elektron have.
EN forklaringen på den fotoelektriske effekt blev givet af Albert Einstein. Ifølge Einstein var elektromagnetisk stråling (lys er f.eks. elektromagnetisk stråling), der blev brugt til udstødning af elektroner, sammensat af partikler kendt som fotoner, og desuden kunne hver foton tolkes som en energipakke. Baseret på Plancks undersøgelser var det muligt at konkludere, at fotoner af ultraviolet stråling er mere energiske end fotoner af synligt lys.
Når de kolliderer med metallets overflade, udveksler fotonerne (bestanddele af elektromagnetisk stråling) energi med de elektroner, der er til stede der. Hvis energien absorberet af elektronen fra at kollidere med fotonerne er stor nok, så vil den blive udstødt. For at lære mere om den fotoelektriske effekt, klik her.
bølge-partikel dualitet
Den fotoelektriske effekt bragte et stærkt grundlag for, at elektromagnetisk stråling er sammensat af partikler (fotoner). Men mange andre eksperimenter viste, at elektromagnetisk stråling opførte sig som en bølge. Af disse eksperimenter var det mest slående diffraktion - det fysiske fænomen, der observeres, når en bølge støder på en forhindring eller, ved en anden fortolkning, bølgernes evne til at overvinde forhindringer.
O Lysets bølgekarakter har været kendt siden 1801, da den engelske fysiker Thomas Young lyste på en barriere med en spalte. Når det passerer gennem denne spalte, gennemgår lys diffraktion. Ved hver spalte, inklusive, at lyset passerer, selv diffrakteret, gennemgår det en ny diffraktion.
Sådan her, det var nødvendigt at acceptere en ny adfærd for elektromagnetisk stråling: bølge-partikel dualiteten. Derfra udvidede den franske videnskabsmand Louis de Broglie dette koncept og antydede, at alle partikler også skulle forstås som havende bølgeadfærd.
De Broglie-hypotesen fik styrke i 1925, da de amerikanske videnskabsmænd Clinton Davisson og Lester Germer beviste, at en elektronstråle var i stand til at undergå diffraktion, når den passerede gennem en enkelt krystal af nikkel.
Denne opfattelse var afgørende for at nå frem til den konklusion, at tungere partikler, såsom molekyler, også var i stand til at gennemgå diffraktion og derfor udvise bølgelignende adfærd. For at lære mere om bølge-partikel dualitet, klik her.
usikkerhedsprincippet
I klassisk fysik er det nemt for dig at bestemme en partikels vej. Men i kvanteverdenen, hvor partikler også opfører sig som bølger, er deres bane ikke længere så præcis. Dette pga det giver ingen mening at tale om placeringen af en bølge.
For eksempel på en guitar, når du plukker en streng, breder bølgen sig ud over hele dens længde. Hvis en partikel har den samme adfærd, er der ingen måde at definere dens placering nøjagtigt, endda at kende dens lineære momentum (mængde, der blander masse og hastighed).
Derfor har elektronen, som også har en dobbelt karakter, ikke en defineret bane/bane omkring atomkernen, som mange tror. ENdualitet skaber så usikkerhed om partiklens nøjagtige position.
Denne usikkerhed i definitionen af position er ubetydelig for meget tunge legemer, men fuldt ud signifikant for legemer af atomstørrelse eller subatomisk, det vil sige, hvis du ved, at partiklen er på et bestemt sted, på et bestemt tidspunkt, vil du ikke længere vide, hvor den vil være i det næste øjeblikkelig.
Fra dette dilemma opstod usikkerhedsprincippet., etableret af den tyske fysiker Werner Heisenberg i 1927. Ifølge dette princip er det ikke muligt at kende positionen og det lineære momentum af en partikel uden en fejlmargin, det vil sige, hvis en egenskab er kendt, er den anden ikke. For at lære mere om usikkerhedsprincippet, klik her.
Træk af Schrödingers atommodel
Da det ud fra den dobbelte karakter af partiklen ikke længere var muligt at definere en specifik bane for den, i 1927, den østrigske videnskabsmand Erwin Schrödinger erstattede denne præcise bane med en bølgefunktion, repræsenteret ved det græske bogstav psi (ψ), hvor værdierne af denne funktion varierer i henhold til positionen. Et eksempel på en bølgefunktion er sinusfunktionen af x.
Videnskabsmanden Max Born skabte derefter en fysisk fortolkning af bølgefunktionen, idet han sagde, at kvadratet af funktionen ψ, det vil sige ψ², ville være proportional med sandsynligheden for at finde en partikel i en område. Således forstås ψ² som sandsynligheden for at finde en partikel i et eller andet område. Da det er en sandsynlighedstæthed, skal værdien af ψ² ganges med volumenet for at opnå den sande sandsynlighed.
For at beregne bølgefunktionen udviklede Schrödinger en ligning, forenklet som følger:
Hψ = Eψ
Hψ skal læses som "Hamiltonian af psi", og beskriver krumningen af bølgefunktionen. Hamiltonianeren er en matematisk operator, ligesom plus, minus, log osv. Den højre side bringer os den tilsvarende energi.
Løsningen af denne ligning bringer os en vigtig konklusion: partikler kan kun have diskrete energiers, det vil sige velbestemte energier, eller kvantiseret, og ikke nogen værdi. Disse specifikke energiværdier er kendt som energiniveauer. Dette er en pålæggelse af bølgefunktionen, da den skal passe ind i et specifikt område af rummet. I klassisk mekanik kan et objekt have en hvilken som helst værdi af total energi.
Sådan her, en elektron kan ikke have nogen energi, men veldefinerede energiniveauer. Da bølgefunktionen skal passe til et område i rummet, skal du huske at a elektron er begrænset inde i et atom gennem de tiltrækningskræfter, den har for kernen.
Energiniveauerne for et atom kan beregnes ved passende at løse Schrödinger-ligningen. I dette tilfælde bemærkes det, at opløsningen når en ny ligning, som viser, at energien for hvert niveau i atomet afhænger af et heltal, kaldet n, hvilket bekræfter ideen om, at energiniveauer har specifikke værdier.
Således tildele positive værdier til n (1, 2, 3...), er det muligt at beregne energien af atomniveauerne. Parameteren n kaldes nu det vigtigste kvantetal, da det ender med at være knyttet til hvert atomniveau, der er tilladt for et atom.
Til elektronbølgefunktioner kaldes atomorbitaler, hvis matematiske udtryk også opnås ved at løse Schrödinger-ligningen. En atomorbital præsenterer fordelingen af elektronen i et atom, det vil sige regionen med sandsynlighed for eksistensen af en elektron i et atom. Atomorbitaler kan have forskellige former og energier, også opnået ved Schrödinger-ligningen.
For hvert energiniveau n (Husk det n kan være 1, 2, 3...), der er n underniveauer. I hvert underniveau er der orbitaler med forskellige former. Der er ingen grænse for de forskellige orbitaler, men med de hidtil kendte atomer, bruger kemikere kun fire af dem, identificeret med bogstaverne s, P, d det er f.
Altså for eksempel på niveau n = 1, er der kun et underniveau, så der er kun orbitalen s. Nu til niveauet n = 2, er der to underniveauer, hvor orbitalerne er til stede s det er P.
Fremskridt af Schrödingers atommodel i forhold til andre atommodeller
Som sagt, Schrödinger præsenterede ikke nødvendigvis en model, men en matematisk fortolkning. for observerede fænomener vedrørende partiklernes natur. Derfor bliver dens fortolkning kompleks, eftersom Schrödinger-ligningen selv har brug for avanceret matematisk viden til sin opløsning og endda for sin fortolkning.
Imidlertid Schrödingers undersøgelser bragte stor robusthed til at retfærdiggøre energien af atomer og elektroner gaver. For eksempel bekræfter opløsningen af Schrödinger-ligningen Bohrs atommodel for brintatomet og andre hydrogenoide atomer (dem der kun har 1 elektron). Ligesom Schrödinger nåede Bohr frem til de tilladte energiniveauer for brintatomet.
Bohrs atommodel er dog ikke i stand til at nå elektroniske niveauer for atomer med mere end 1 elektron og demonstrerer dermed sin største svaghed. Når to elektroner er til stede, er det nødvendigt at overveje den elektroniske frastødning mellem dem, en parameter, der kan tilføjes til den matematiske forståelse foreslået af Schrödinger.
Et andet vigtigt punkt i Schrödingers undersøgelser er tilpasningen af kvantebegreber, såsom partiklens dualitet, samt en nøjagtig bane for en elektron. Definitionen af atomorbital er meget vigtig for at forstå struktur af alle atomer. EN sandsynlighedstæthed (ψ²) hjælper os med at forstå, hvordan elektroner optager atomare orbitaler i polyelektroniske atomer, hvilket bringer mere specifik information om elektronens energi.
Af Stefano Araujo Novais
Kemi lærer
Lær mere om atomets struktur og dets vigtigste partikler: protoner, neutroner og elektroner.
Kend udviklingen af atommodellen i historien.
Klik og lær om hovedtrækkene i Rutherfords atommodel og eksperimentet, der muliggjorde dens formulering.
Find ud af, hvad der er de vigtigste karakteristika, problemer og ud fra hvilke aspekter Thomsons atommodel blev foreslået!
Gå ind og mød Bohr-atomet, som var en atommodel baseret på postulater, der med succes beskrev brintatomet.
