O Schrödingeri aatomimudel on levinud vorm, mida kasutatakse tähistamiseks aatomi kirjeldus Austria füüsiku Erwin Schrödingeri poolt 1927. aastal välja pakutud Schrödingeri võrrandi lahendamisega. Võrrand on loodud kvantmehaanikas saadud oluliste tähelepanekute põhjal, mis annab aatomi ja elektroni energia tugeva põhjenduse.
Schrödingeri väljamõeldud aatom põhineb laine-osakeste duaalsusel, määramatuse printsiibil ja muude 20. sajandi alguses välja töötatud mõistete hulgas. See tõi suuri edusamme mateeria mõistmisel, kuna see sillutas teed polüelektrooniliste aatomite kindlamale mõistmisele, mis pole Bohri pakutud aatomimudeliga võimalik.
Loe ka: Aatomimudelid – aatomi struktuuri selgitamiseks pakutud mudelid
Kokkuvõte Schrödingeri aatomimudelist
Schrödingeri aatomimudel on tegelikult aatomi ja elektronide kirjeldus Schrödingeri võrrandi kaudu.
Schrödingeri võrrand töötati välja kvantmehaanika valdkonna oluliste uuringute kaudu.
Laine-osakeste duaalsus, määramatuse printsiip ja muud teooriad olid Schrödingeri võrrandi loomisel olulised.
Lahendades Schrödingeri võrrandit, on võimalik kirjeldada nii aatomi kui ka elektroni energiat.
Schrödingeri võrrandi tõlgenduse põhjal on näha, et elektronidel ei ole kindel orbiit ümber aatomi, vaid pigem eksisteerimise tõenäosuse piirkond ümber temalt.
Schrödingeri uuringud laiendavad Bohri pakutud aatomi mõistmine, kuna need võimaldavad mõista polüelektrooniliste aatomite käitumist.
Mis on Schrödingeri aatomimudel?
Schrödingeri aatomimudel on üldnimetus kvantmehaanikal põhineva aatomimudeli kirjeldus. Selle mudeli peamiseks tunnuseks on elektronide poolt omaks võetud laine-osakeste duaalsuse matemaatiline tõlgendamine. täpsemalt elektroni täpselt määratletud trajektoori asendamine elektroni olemasolu tõenäosusega ümber tuum.
Selline tõlgendus sai alguse Austria teadlase Erwin Schrödingeri tööst 1927. aastal pärast olulisi edusamme. mateeria mõistmisel kvantmehaanika valdkonnas, nagu fotoelektriline efekt, määramatuse printsiip ja duaalsus laine-osake.
Schrödingeri aatomimudeli mõistmine ei ole triviaalne, seda käsitletakse keemiaõppe kõrgematel tasemetel.
Schrödingeri aatomimudeli eksperimentaalne alus
Enne Erwin Schrödingeri õpinguid tehti olulisi edusamme mateeria mõistmine 20. sajandi alguses. Sellised katsed algatasid kvantmehaanikana tuntud teoreetiliste teadmiste valdkonna, mis toob tõlgendusi osakeste käitumise kohta aatomiskaala lähedal või sellest madalamal. Selles konkreetses universumis ei kehti klassikalise füüsika seadused, mida tuntakse ka kui Newtoni füüsikat, sageli teatud käitumiste selgitamiseks või ei ole need piisavad.
Lihtsalt aimu saamiseks võime öelda, et kvantmehaanika algab teemast, mida tuntakse ultraviolettkatastroofina. Klassikalise füüsika järgi kiirgab nullist erineva temperatuuriga must keha (kuum objekt) intensiivset ultraviolettkiirgust, lisaks gammakiirgust ja röntgenikiirgust.
See tähendab, et meie, inimesed, oma temperatuuriga 36–37 °C, helendaksime pimedas (hõõgumise tagajärg). Ütlematagi selge, et see on täielik jama, sest kui see nii oleks, poleks pimedust.
Selles kontekstis 1900. aastal lõi Max Planck kontseptsiooni kui palju, tõlgitud kui "energiapaketid", et selgitada energiavahetust aine ja kiirguse vahel. Tema tõlgenduse kohaselt ei ole madalal temperatuuril kehal (nagu meil) piisavalt energiat kõrgsagedusliku ultraviolettkiirguse kiirgamiseks.
Seega saab keha kiirata kõrgsageduslikku ultraviolettkiirgust alles siis, kui ta omandab minimaalselt vajaliku energia. Selles seisundis toimub energiavahetus aine ja ümbritseva vahel kiirgusenergia pakettide kaudu.
Energiapaketid toovad ka erinevuse võrreldes klassikalise füüsikaga. Rääkides energiapakettidest, viitab see energiale, mis on kvantiseeritud, see tähendab, et see on spetsiifiline, seal on piirangud. Newtoni füüsikas ei ole kahe objekti vahel vahetatava energia hulgal piiranguid.
Fotoelektriline efekt
Plancki pakutud teooriate tugevuse tagamiseks oli vaja rohkem tõendeid. Selles kontekstis ilmnes fotoelektriline efekt., mis käsitleb elektronide väljutamist metallist ultraviolettkiirguse sattumise kaudu metalli pinnale.
Selle teooria tähelepanekute kohaselt ei väljutata ühtegi elektroni enne, kui kiirgus saavutab teatud väärtusega sageduse, mis on iga metalli jaoks spetsiifiline. Kui see sagedus on saavutatud, paisatakse elektronid kohe välja ja mida intensiivsem on langeva kiirguse sagedus, seda kiirem on väljutatav elektron.
A fotoelektrilise efekti seletuse andis Albert Einstein. Einsteini järgi koosnes elektronide väljutamiseks kasutatav elektromagnetkiirgus (valgus on näiteks elektromagnetkiirgus) osakesed, mida nimetatakse footoniteks, ja pealegi võib iga footonit tõlgendada kui energiapaketti. Plancki uuringute põhjal oli võimalik järeldada, et ultraviolettkiirguse footonid on energilisemad kui nähtava valguse footonid.
Metalli pinnaga kokkupõrkel vahetavad footonid (elektromagnetkiirguse koostisosad) energiat seal esinevate elektronidega. Kui elektroni neeldunud energia kokkupõrkest footonitega on piisavalt suur, siis see paiskub välja. Fotoelektrilise efekti kohta lisateabe saamiseks klõpsake nuppu siin.
laine-osakeste duaalsus
Fotoelektriline efekt tõi tugeva aluse sellele, et elektromagnetkiirgus koosneb osakestest (footonitest). Paljud teised katsed näitasid aga, et elektromagnetkiirgus käitus nagu laine. Nendest katsetest oli kõige silmatorkavam difraktsioon – füüsikaline nähtus, mida täheldati siis, kui laine puutub kokku takistusega või mõne muu tõlgenduse kohaselt lainete võime ületada takistusi.
O Valguse laineline iseloom on tuntud alates 1801. aastast, kui inglise füüsik Thomas Young piluga tõkkepuu valgust valgustas. Seda pilu läbides läbib valgus difraktsiooni. Iga pilu juures, sealhulgas valguse läbimisel, isegi hajutatuna, läbib see uue difraktsiooni.
Nagu nii, oli vaja leppida elektromagnetkiirguse uue käitumisega: laine-osakeste duaalsus. Sealt edasi laiendas prantsuse teadlane Louis de Broglie seda mõistet, viidates sellele, et kõiki osakesi tuleks mõista ka lainetena.
De Broglie hüpotees sai jõudu 1925. aastal, kui Ameerika teadlased Clinton Davisson ja Lester Germer tõestas, et elektronkiir on võimeline läbima difraktsiooni, kui läbib üksiku kristalli. nikkel.
See arusaam oli oluline, et jõuda järeldusele, et raskemad osakesed, näiteks molekulid, olid samuti võimelised difraktsiooni ja seetõttu lainetaolist käitumist. Laine-osakeste duaalsuse kohta lisateabe saamiseks klõpsake nuppu siin.
määramatuse põhimõte
Klassikalises füüsikas on osakese teekonna määramine lihtne. Kvantmaailmas, kus ka osakesed käituvad nagu lained, pole aga nende trajektoor enam nii täpne. Seda sellepärast laine asukohast pole mõtet rääkida.
Näiteks kitarril, kui tõmbad keelt, levib laine kogu pikkuses. Kui osake käitub samamoodi, ei saa selle asukohta täpselt määratleda, isegi mitte teades selle lineaarset impulssi (kogus, mis segab massi ja kiiruse).
Seetõttu ei ole elektronil, millel on samuti kahekordne iseloom, määratletud orbiiti/tee ümber aatomituuma, nagu paljud arvavad. Aduaalsus tekitab siis ebakindlust osakese täpse asukoha suhtes.
See määramatus asukoha määratluses on tühine väga raskete kehade puhul, kuid täiesti oluline aatomi suurusega või subatomiline, st kui tead, et osake on teatud kohas, teatud hetkel, ei tea sa enam, kus see järgmisel hetkel asub vahetu.
Sellest dilemmast tekkis määramatuse printsiip., mille asutas 1927. aastal saksa füüsik Werner Heisenberg. Selle põhimõtte järgi ei ole võimalik teada osakese asukohta ja lineaarmomenti ilma veapiirita ehk kui üks omadus on teada, siis teine mitte. Määramatuse põhimõtte kohta lisateabe saamiseks klõpsake nuppu siin.
Schrödingeri aatomimudeli tunnused
Kuna osakese kahetise iseloomu tõttu ei olnud enam võimalik sellele konkreetset trajektoori määratleda, leidis Austria teadlane Erwin 1927. aastal. Schrödinger asendas selle täpse trajektoori lainefunktsiooniga, mida tähistab kreeka täht psi (ψ), kusjuures selle funktsiooni väärtused varieeruvad olenevalt asukohast. Lainefunktsiooni näide on siinusfunktsioon x.
Seejärel lõi teadlane Max Born lainefunktsiooni füüsilise tõlgenduse, väites, et funktsiooni ψ ruut, st ψ², oleks võrdeline osakese leidmise tõenäosusega piirkond. Seega mõistetakse ψ² osakese leidmise tõenäosuse tihedusena mõnes piirkonnas. Kuna tegemist on tõenäosustihedusega, tuleb tõenäolise tõenäosuse saamiseks korrutada ψ² väärtus ruumalaga.
Lainefunktsiooni arvutamiseks töötas Schrödinger välja võrrandi, lihtsustatult järgmiselt:
Hψ = Eψ
Hψ tuleks lugeda "psi Hamiltoni kaanena" ja see kirjeldab lainefunktsiooni kõverust. Hamiltoni on matemaatiline operaator, nagu pluss, miinus, logi jne. Parem pool toob meile vastava energia.
Selle võrrandi lahendus toob meile olulise järelduse: osakestel saab olla ainult diskreetne energias, see tähendab hästi määratud energiad ehk kvantiseeritud, mitte mingid väärtused. Neid spetsiifilisi energiaväärtusi nimetatakse energiatasemeteks. See on lainefunktsiooni pealesurumine, kuna see peab mahtuma kindlasse ruumi piirkonda. Klassikalises mehaanikas võib objektil olla mis tahes koguenergia väärtus.
Nagu nii, elektronil ei saa olla energiat, kuid täpselt määratletud energiatasemed. Kuna lainefunktsioon peab sobima ruumi piirkonnaga, pidage meeles, et a elektron on piiratud aatomi sees läbi tõmbejõudude, mis tal on tuuma jaoks.
Aatomi energiatasemeid saab arvutada Schrödingeri võrrandi sobiva lahendamisega. Sel juhul on märgata, et eraldusvõime saavutab uue võrrandi, mis näitab, et aatomi iga taseme energia sõltub täisarvust, nn. n, mis kinnitab ideed, et energiatasemetel on kindlad väärtused.
Seega positiivsete väärtuste määramine n (1, 2, 3...), on võimalik arvutada aatomitasandite energia. Parameeter n nimetatakse nüüd peamiseks kvantarvuks, kuna see on seotud iga aatomi jaoks lubatud aatomitasemega.
Et elektronlaine funktsioone nimetatakse aatomiorbitaalideks, mille matemaatilised avaldised saadakse ka Schrödingeri võrrandi lahendamisel. Aatomiorbitaal kujutab elektroni jaotust aatomis, see tähendab elektroni olemasolu tõenäosuse piirkonda aatomis. Aatomiorbitaalid võivad olla erineva kuju ja energiaga, mis saadakse ka Schrödingeri võrrandiga.
Igal energiatasemel n (Seda meeles pidades n võib olla 1, 2, 3...), on olemas n alamtasandid. Igal alamtasandil on erineva kujuga orbitaalid. Erinevatel orbitaalidel pole piiranguid, kuid seni teadaolevate aatomite puhul kasutavad keemikud neist ainult nelja, mida tähistavad tähed s, P, d see on f.
Nii näiteks tasemel n = 1, on ainult üks alamtase, seega on ainult orbitaal s. Nüüd tasemest n = 2, on kaks alamtasandit, kusjuures orbitaalid on olemas s see on P.
Schrödingeri aatomimudeli edusammud võrreldes teiste aatomimudelitega
Nagu mainitud, Schrödinger ei esitanud tingimata mudelit, vaid matemaatilist tõlgendust. osakeste olemust puudutavate vaadeldud nähtuste jaoks. Seetõttu muutub selle tõlgendamine keeruliseks, kuna Schrödingeri võrrand ise vajab selle lahendamiseks ja isegi tõlgendamiseks täiustatud matemaatilisi teadmisi.
Siiski, Schrödingeri uuringud tõid suure tugevuse aatomite ja elektronide energia õigustamiseks kingitused. Näiteks Schrödingeri võrrandi lahutusvõime kinnitab Bohri aatomimudelit vesinikuaatomi ja teiste vesinikuaatomite jaoks (need, millel on ainult 1 elektron). Nagu Schrödinger, jõudis Bohr vesinikuaatomi lubatud energiatasemeni.
Bohri aatomimudel ei suuda aga saavutada enam kui 1 elektroniga aatomite elektroonilist taset ja näitab seega oma peamist nõrkust. Kahe elektroni olemasolul on vaja arvestada nende vahelist elektroonilist tõrjumist, parameetrit, mille saab lisada Schrödingeri pakutud matemaatilisele arusaamale.
Teine oluline punkt Schrödingeri uuringutes on kvantkontseptsioonide kohandamine, näiteks osakese duaalsus, aga ka elektroni täpne trajektoor. Aatomiorbitaali määratlus on selle mõistmiseks väga oluline kõigi aatomite struktuur. A tõenäosustihedus (ψ²) aitab meil mõista, kuidas elektronid hõivavad aatomiorbitaale polüelektroonilistes aatomites, tuues täpsemat teavet elektroni energia kohta.
Autor Stefano Araujo Novais
Keemia õpetaja
Allikas: Brasiilia kool - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/modelo-atomico-de-schrodinger.htm
