Ö Schrödingers Atommodell ist eine gebräuchliche Form zur Bezeichnung von Beschreibung des Atoms durch Lösung der Schrödinger-Gleichung, die 1927 vom österreichischen Physiker Erwin Schrödinger vorgeschlagen wurde. Die Gleichung basiert auf wichtigen Beobachtungen der Quantenmechanik und liefert eine solide Begründung für die Energie des Atoms und des Elektrons.
Das von Schrödinger konzipierte Atom basiert neben anderen zu Beginn des 20. Jahrhunderts geprägten Vorstellungen auf dem Welle-Teilchen-Dualismus, auf dem Unschärfeprinzip. Es brachte große Fortschritte beim Verständnis der Materie, da es den Weg für ein fundierteres Verständnis der polyelektronischen Atome ebnete, was mit dem von Bohr vorgeschlagenen Atommodell nicht möglich ist.
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Themen dieses Artikels
- 1 - Zusammenfassung von Schrödingers Atommodell
- 2 - Was ist Schrödingers Atommodell?
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3 - Experimentelle Grundlagen für Schrödingers Atommodell
- Photoelektrischer Effekt
- Welle-Teilchen-Dualität
- Unschärferelation
- 4 - Eigenschaften des Schrödinger-Atommodells
- 5 – Fortschritte von Schrödingers Atommodell im Vergleich zu anderen Atommodellen
Zusammenfassung über Schrödingers Atommodell
Schrödingers Atommodell ist eigentlich die Beschreibung des Atoms und der Elektronen durch die Schrödinger-Gleichung.
Die Schrödinger-Gleichung wurde durch wichtige Studien auf dem Gebiet der Quantenmechanik entwickelt.
Der Welle-Teilchen-Dualismus, das Unschärfeprinzip und andere Theorien waren für die Erstellung der Schrödinger-Gleichung wesentlich.
Durch Lösen der Schrödinger-Gleichung ist es möglich, sowohl die Energie des Atoms als auch die des Elektrons zu beschreiben.
Basierend auf der Interpretation der Schrödinger-Gleichung kann man erkennen, dass Elektronen dies nicht tun eine bestimmte Umlaufbahn um das Atom, sondern ein Bereich der Existenzwahrscheinlichkeit um ihn herum von ihm.
Schrödingers Studien erweitern die Verständnis des von Bohr vorgeschlagenen Atoms, da sie ein Verständnis des Verhaltens polyelektronischer Atome ermöglichen.
Was ist Schrödingers Atommodell?
Das Schrödinger-Atommodell ist eine gebräuchliche Bezeichnung dafür Beschreibung eines Atommodells basierend auf der Quantenmechanik. Das Hauptmerkmal dieses Modells ist die mathematische Interpretation des von Elektronen angenommenen Welle-Teilchen-Dualismus insbesondere das Ersetzen einer genau definierten Flugbahn des Elektrons durch die Existenzwahrscheinlichkeit des Elektrons um das Elektron herum Kern.
Eine solche Interpretation begann durch die Arbeit des österreichischen Wissenschaftlers Erwin Schrödinger im Jahr 1927 nach wichtigen Fortschritten im Verständnis der Materie im Bereich der Quantenmechanik, wie dem photoelektrischen Effekt, der Unschärferelation und der Dualität Wellenteilchen.
Das Verständnis von Schrödingers Atommodell ist nicht trivial, da es auf fortgeschritteneren Ebenen des Chemiestudiums angegangen wird.
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Experimentelle Grundlage für Schrödingers Atommodell
Vor den Studien von Erwin Schrödinger gab es wichtige Fortschritte in der Verständnis der Materie zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Solche Experimente begründeten das theoretische Wissensgebiet der Quantenmechanik, das Interpretationen über das Verhalten von Teilchen nahe oder unterhalb der atomaren Skala ermöglicht. In diesem speziellen Universum gelten die Gesetze der klassischen Physik, auch bekannt als Newtonsche Physik, oft nicht oder reichen nicht aus, um bestimmte Verhaltensweisen zu erklären.
Um eine Vorstellung zu bekommen: Wir können sagen, dass die Quantenmechanik mit einem Thema beginnt, das als Ultraviolettkatastrophe bekannt ist. Nach der klassischen Physik emittiert ein schwarzer Körper (heißes Objekt) mit einer Temperatur ungleich Null neben Gammastrahlung und Röntgenstrahlung auch intensive ultraviolette Strahlung.
Das bedeutet, dass wir Menschen mit unserer Temperatur von 36-37 °C im Dunkeln leuchten würden (Folge der Glühlampen). Das ist natürlich völliger Unsinn, denn sonst gäbe es keine Dunkelheit.
In diesem Kontext, Im Jahr 1900 entwickelte Max Planck das Konzept wie viel, übersetzt „Energiepakete“, um den Energieaustausch zwischen Materie und Strahlung zu erklären. Nach seiner Interpretation verfügt ein Körper bei niedrigen Temperaturen (wie wir) nicht über genügend Energie, um hochfrequente ultraviolette Strahlung auszusenden.
Daher kann ein Körper nur dann hochfrequente ultraviolette Strahlung aussenden, wenn er die minimal notwendige Energie aufnimmt. In diesem Zustand erfolgt der Energieaustausch zwischen Materie und Umgebung durch Pakete von Strahlungsenergie.
Auch im Vergleich zur klassischen Physik bringen Energiepakete einen Unterschied. Wenn von Energiepaketen die Rede ist, handelt es sich um quantisierte Energie, das heißt, es ist spezifisch, es werden Grenzen gesetzt. In der Newtonschen Physik gibt es keine Beschränkungen für die Menge der zwischen zwei Objekten ausgetauschten Energie.
Photoelektrischer Effekt
Um den von Planck vorgeschlagenen Theorien Robustheit zu verleihen, waren weitere Beweise erforderlich. In diesem Zusammenhang trat der photoelektrische Effekt auf., das sich mit dem Ausstoß von Elektronen aus einem Metall durch den Einfall ultravioletter Strahlung auf seine Oberfläche befasst.
Den Beobachtungen dieser Theorie zufolge werden keine Elektronen ausgestoßen, bis die Strahlung eine Frequenz mit einem bestimmten, für jedes Metall spezifischen Wert erreicht. Sobald diese Frequenz erreicht ist, werden die Elektronen sofort ausgestoßen, und je intensiver die Frequenz der einfallenden Strahlung, desto schneller ist das ausgestoßene Elektron.
A Die Erklärung für den photoelektrischen Effekt wurde von Albert Einstein gegeben. Nach Einstein besteht die elektromagnetische Strahlung (Licht ist beispielsweise elektromagnetische Strahlung), die zum Ausstoß von Elektronen verwendet wird, aus Teilchen, die als Photonen bekannt sind, und darüber hinaus könnte jedes Photon als Energiepaket interpretiert werden. Basierend auf Plancks Studien konnte der Schluss gezogen werden, dass Photonen ultravioletter Strahlung energiereicher sind als Photonen sichtbaren Lichts.
Beim Aufprall auf die Metalloberfläche tauschen die Photonen (Bestandteile der elektromagnetischen Strahlung) Energie mit den dort vorhandenen Elektronen aus. Wenn die Energie, die das Elektron beim Zusammenstoß mit den Photonen absorbiert, groß genug ist, wird es ausgestoßen. Um mehr über den photoelektrischen Effekt zu erfahren, klicken Sie Hier.
Welle-Teilchen-Dualität
Der photoelektrische Effekt brachte eine starke Grundlage dafür, dass elektromagnetische Strahlung aus Teilchen (Photonen) besteht. Viele andere Experimente zeigten jedoch, dass sich elektromagnetische Strahlung wie eine Welle verhielt. Das auffälligste dieser Experimente war die Beugung – das physikalische Phänomen, das beobachtet wird, wenn eine Welle auf ein Hindernis trifft, oder, nach einer anderen Interpretation, das Fähigkeit der Wellen, Hindernisse zu überwinden.
Ö Der Wellencharakter von Licht ist seit 1801 bekannt, als der englische Physiker Thomas Young eine Barriere mit einem Schlitz beleuchtete. Beim Durchgang durch diesen Spalt wird das Licht gebeugt. An jedem Spalt, den das Licht durchläuft, auch wenn es gebeugt wird, erfährt es eine neue Beugung.
So was, Es war notwendig, ein neues Verhalten für elektromagnetische Strahlung zu akzeptieren: die Welle-Teilchen-Dualität. Von dort aus erweiterte der französische Wissenschaftler Louis de Broglie dieses Konzept und schlug vor, dass alle Teilchen auch Wellenverhalten aufweisen sollten.
Die De-Broglie-Hypothese gewann 1925 an Stärke, als die amerikanischen Wissenschaftler Clinton Davisson und Lester Germer bewies, dass ein Elektronenstrahl beim Durchqueren eines Einkristalls gebeugt werden kann Nickel.
Diese Erkenntnis war ausschlaggebend für die Schlussfolgerung, dass auch schwerere Teilchen, etwa Moleküle, zur Beugung fähig sind und daher wellenförmiges Verhalten zeigen. Klicken Sie hier, um mehr über den Welle-Teilchen-Dualismus zu erfahren Hier.
Unschärferelation
In der klassischen Physik ist es für Sie einfach, den Weg eines Teilchens zu bestimmen. Allerdings ist ihre Flugbahn in der Quantenwelt, in der sich Teilchen ebenfalls wie Wellen verhalten, nicht mehr so präzise. Dieses weil Es macht keinen Sinn, über den Ort einer Welle zu sprechen.
Wenn Sie beispielsweise bei einer Gitarre eine Saite zupfen, breitet sich die Welle über deren gesamte Länge aus. Wenn ein Partikel dasselbe Verhalten zeigt, gibt es keine Möglichkeit, seinen Standort genau zu definieren Kenntnis seines linearen Impulses (Größe, die Masse und Geschwindigkeit mischt).
Daher hat das Elektron, das ebenfalls einen dualen Charakter hat, keine definierte Umlaufbahn um den Atomkern, wie viele glauben. ADualität erzeugt dann Unsicherheit über die genaue Position des Teilchens.
Diese Unsicherheit in der Positionsbestimmung ist für sehr schwere Körper vernachlässigbar, für Körper von atomarer Größe oder aber völlig signifikant subatomar, das heißt, wenn Sie wissen, dass sich das Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort befindet, wissen Sie nicht mehr, wo es sich im nächsten Moment befinden wird sofortig.
Aus diesem Dilemma entstand das Unschärfeprinzip., 1927 vom deutschen Physiker Werner Heisenberg gegründet. Nach diesem Prinzip ist es nicht möglich, die Position und den linearen Impuls eines Teilchens ohne Fehlertoleranz zu kennen, d. h. wenn eine Eigenschaft bekannt ist, ist die andere nicht bekannt. Um mehr über das Unsicherheitsprinzip zu erfahren, klicken Sie auf Hier.
Merkmale von Schrödingers Atommodell
Da es aufgrund des Doppelcharakters des Teilchens nicht mehr möglich war, eine bestimmte Flugbahn für es zu definieren, beschloss 1927 der österreichische Wissenschaftler Erwin Schrödinger ersetzte diese präzise Flugbahn durch eine Wellenfunktion, dargestellt durch den griechischen Buchstaben psi (ψ), wobei die Werte dieser Funktion je nach Position variieren. Ein Beispiel für eine Wellenfunktion ist die Sinusfunktion von X.
Der Wissenschaftler Max Born erstellte daraufhin eine physikalische Interpretation für die Wellenfunktion und stellte fest, dass die Das Quadrat der Funktion ψ, also ψ², wäre proportional zur Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen in a zu finden Region. Unter ψ² versteht man also die Wahrscheinlichkeitsdichte, ein Teilchen in einer bestimmten Region zu finden. Da es sich um eine Wahrscheinlichkeitsdichte handelt, muss der Wert von ψ² mit dem Volumen multipliziert werden, um die wahre Wahrscheinlichkeit zu erhalten.
Zur Berechnung der Wellenfunktion entwickelte Schrödinger eine Gleichung, vereinfacht wie folgt:
Hψ = Eψ
Hψ sollte als „Hamiltonian of psi“ gelesen werden und beschreibt die Krümmung der Wellenfunktion. Der Hamilton-Operator ist ein mathematischer Operator, genau wie Plus, Minus, Log usw. Die rechte Seite bringt uns die entsprechende Energie.
Die Lösung dieser Gleichung bringt uns eine wichtige Schlussfolgerung: Teilchen können nur diskrete Energien habens, das heißt, wohlbestimmte oder quantisierte Energien und kein beliebiger Wert. Diese spezifischen Energiewerte werden als Energieniveaus bezeichnet. Dies ist eine Auferlegung der Wellenfunktion, da diese in einen bestimmten Raumbereich passen muss. In der klassischen Mechanik kann ein Objekt einen beliebigen Gesamtenergiewert haben.
So was, Ein Elektron kann keine Energie haben, aber gut definierte Energieniveaus. Da die Wellenfunktion in einen Raumbereich passen muss, denken Sie daran, dass a Das Elektron ist im Inneren eines Atoms eingeschlossen durch die Anziehungskräfte, die es auf den Kern ausübt.
Die Energieniveaus eines Atoms können durch geeignete Lösung der Schrödinger-Gleichung berechnet werden. In diesem Fall wird festgestellt, dass die Auflösung eine neue Gleichung erreicht, die zeigt, dass die Energie jedes Niveaus im Atom von einer ganzen Zahl abhängt, genannt N, was die Idee bestätigt, dass Energieniveaus bestimmte Werte haben.
Somit werden positive Werte zugewiesen N (1, 2, 3...) ist es möglich, die Energie der Atomniveaus zu berechnen. Der Parameter N wird heute Hauptquantenzahl genannt, da sie letztendlich mit jeder für ein Atom zulässigen Atomebene verknüpft ist.
Zum Elektronenwellenfunktionen werden Atomorbitale genannt, deren mathematische Ausdrücke auch durch Lösen der Schrödinger-Gleichung erhalten werden. Ein Atomorbital stellt die Verteilung des Elektrons in einem Atom dar, also den Bereich der Existenzwahrscheinlichkeit eines Elektrons in einem Atom. Atomorbitale können unterschiedliche Formen und Energien haben, die auch durch die Schrödinger-Gleichung ermittelt werden.
Für jedes Energieniveau N (Ich erinnere mich daran N kann 1, 2, 3... sein), es gibt N Unterebenen. In jeder Unterebene gibt es Orbitale unterschiedlicher Form. Den unterschiedlichen Orbitalen sind keine Grenzen gesetzt, doch von den bisher bekannten Atomen nutzen Chemiker nur vier davon, gekennzeichnet durch die Buchstaben S, P, D Es ist F.
Also zum Beispiel auf der Ebene N = 1, es gibt nur eine Unterebene, also nur das Orbital S. Nun zum Level N = 2 gibt es zwei Unterebenen, wobei die Orbitale vorhanden sind S Es ist P.
Fortschritte von Schrödingers Atommodell im Vergleich zu anderen Atommodellen
Wie erwähnt, Schrödinger präsentierte nicht unbedingt ein Modell, sondern eine mathematische Interpretation. für beobachtete Phänomene bezüglich der Natur von Teilchen. Daher wird ihre Interpretation komplex, da die Schrödinger-Gleichung selbst fortgeschrittene mathematische Kenntnisse für ihre Lösung und sogar für ihre Interpretation erfordert.
Allerdings ist die Schrödingers Studien brachten große Robustheit, um die Energie von Atomen und Elektronen zu rechtfertigen Geschenke. Beispielsweise bestätigt die Auflösung der Schrödinger-Gleichung Bohrs Atommodell für das Wasserstoffatom und andere Wasserstoffatome (solche, die nur ein Elektron haben). Wie Schrödinger kam Bohr zu den zulässigen Energieniveaus für das Wasserstoffatom.
Allerdings ist Bohrs Atommodell nicht in der Lage, elektronische Niveaus für Atome mit mehr als einem Elektron zu erreichen, und zeigt damit seine größte Schwäche. Wenn zwei Elektronen vorhanden sind, muss die elektronische Abstoßung zwischen ihnen berücksichtigt werden, ein Parameter, der zum von Schrödinger vorgeschlagenen mathematischen Verständnis hinzugefügt werden kann.
Ein weiterer wichtiger Punkt von Schrödingers Studien ist die Anpassung von Quantenkonzepten, etwa der Dualität des Teilchens sowie einer exakten Flugbahn für ein Elektron. Die Definition des Atomorbitals ist sehr wichtig für das Verständnis Struktur aller Atome. A Die Wahrscheinlichkeitsdichte (ψ²) hilft uns zu verstehen, wie Elektronen Atomorbitale besetzen in polyelektronischen Atomen und liefert spezifischere Informationen über die Energie des Elektrons.
Von Stefano Araujo Novais
Chemielehrer
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