O Le modèle atomique de Schrödinger est une forme courante utilisée pour désigner le description de l'atome en résolvant l'équation de Schrödinger, proposée par le physicien autrichien Erwin Schrödinger en 1927. L'équation est conçue à partir d'importantes observations obtenues en mécanique quantique, apportant une justification robuste à l'énergie de l'atome et de l'électron.
L'atome conçu par Schrödinger est basé sur la dualité onde-particule, sur le principe d'incertitude, entre autres notions forgées au début du 20e siècle. Il a apporté de grandes avancées dans la compréhension de la matière, car il a ouvert la voie à une compréhension plus solide des atomes polyélectroniques, ce qui n'est pas possible avec le modèle atomique proposé par Bohr.
Lire aussi: Modèles atomiques - les modèles proposés pour expliquer la structure de l'atome
Thèmes de cet article
- 1 - Résumé du modèle atomique de Schrödinger
- 2 - Qu'est-ce que le modèle atomique de Schrödinger ?
-
3 - Base expérimentale du modèle atomique de Schrödinger
- Effet photoélectrique
- dualité onde-particule
- principe incertain
- 4 - Caractéristiques du modèle atomique de Schrödinger
- 5 - Avancées du modèle atomique de Schrödinger par rapport aux autres modèles atomiques
Résumé sur le modèle atomique de Schrödinger
Le modèle atomique de Schrödinger est en fait la description de l'atome et des électrons par l'équation de Schrödinger.
L'équation de Schrödinger a été développée grâce à d'importantes études dans le domaine de la mécanique quantique.
La dualité onde-particule, le principe d'incertitude, entre autres théories, ont été essentiels pour la création de l'équation de Schrödinger.
En résolvant l'équation de Schrödinger, il est possible de décrire l'énergie de l'atome ainsi que celle de l'électron.
Sur la base de l'interprétation de l'équation de Schrödinger, on peut voir que les électrons n'ont pas une orbite définie autour de l'atome, mais plutôt une région de probabilité d'existence autour de lui.
Les études de Schrödinger élargissent compréhension de l'atome proposée par Bohr, car ils permettent de comprendre le comportement des atomes polyélectroniques.
Qu'est-ce que le modèle atomique de Schrödinger ?
Le modèle atomique de Schrödinger est un nom commun pour le description d'un modèle atomique basé sur la mécanique quantique. La principale caractéristique de ce modèle est l'interprétation mathématique de la dualité onde-particule adoptée par les électrons, plus plus précisément, le remplacement d'une trajectoire bien définie de l'électron par la probabilité d'existence de l'électron autour du cœur.
Une telle interprétation a commencé par les travaux du scientifique autrichien Erwin Schrödinger, en 1927, après d'importantes avancées dans la compréhension de la matière dans le domaine de la mécanique quantique, comme l'effet photoélectrique, le principe d'incertitude et la dualité onde-particule.
La compréhension du modèle atomique de Schrödinger n'est pas triviale, étant abordée à des niveaux plus avancés de l'étude de la chimie.
Ne vous arrêtez pas maintenant... Y'en a plus après la pub ;)
Base expérimentale du modèle atomique de Schrödinger
Avant les études d'Erwin Schrödinger, il y a eu des avancées importantes dans la compréhension de la matière au début du 20ème siècle. De telles expériences ont initié le domaine des connaissances théoriques connues sous le nom de mécanique quantique, qui apporte des interprétations sur le comportement des particules proches ou en dessous de l'échelle atomique. Dans cet univers spécifique, les lois de la physique classique, aussi appelée physique newtonienne, ne s'appliquent souvent pas ou ne suffisent pas à expliquer certains comportements.
Juste pour avoir une idée, on peut dire que la mécanique quantique commence par un sujet connu sous le nom de catastrophe ultraviolette. Selon la physique classique, un corps noir (objet chaud), de température différente de zéro, émet un rayonnement ultraviolet intense, en plus du rayonnement gamma et des rayons X.
Cela signifie que nous, les êtres humains, avec notre température de 36-37 °C, brillerions dans le noir (conséquence de l'incandescence). Inutile de dire que c'est complètement absurde, car si c'était le cas, il n'y aurait pas d'obscurité.
Dans ce contexte, En 1900, Max Planck crée le concept du combien, traduit par "paquets d'énergie", pour expliquer l'échange d'énergie entre la matière et le rayonnement. Selon son interprétation, un corps à basse température (comme nous) n'a pas assez d'énergie pour émettre un rayonnement ultraviolet à haute fréquence.
Ainsi, un corps ne peut émettre un rayonnement ultraviolet à haute fréquence que lorsqu'il acquiert le minimum d'énergie nécessaire. Dans cette condition, l'échange d'énergie entre la matière et l'environnement se produit à travers des paquets d'énergie de rayonnement.
Les paquets d'énergie apportent également une différence par rapport à la physique classique. Quand on parle de paquets d'énergie, cela fait référence à l'énergie qui est quantifiée, c'est-à-dire qu'il est spécifique, il y a une imposition de limites. En physique newtonienne, la quantité d'énergie échangée entre deux objets n'a aucune restriction.
Effet photoélectrique
Pour donner de la robustesse aux théories proposées par Planck, davantage de preuves étaient nécessaires. Dans ce contexte, l'effet photoélectrique est apparu., qui traite de l'éjection d'électrons d'un métal par l'incidence du rayonnement ultraviolet sur sa surface.
Selon les observations de cette théorie, aucun électron n'est éjecté tant que le rayonnement n'a pas atteint une fréquence d'une certaine valeur, spécifique à chaque métal. Une fois cette fréquence atteinte, les électrons sont immédiatement éjectés, et plus la fréquence du rayonnement incident est intense, plus l'électron éjecté sera rapide.
UN l'explication de l'effet photoélectrique a été donnée par Albert Einstein. Selon Einstein, le rayonnement électromagnétique (la lumière, par exemple, est un rayonnement électromagnétique), utilisé pour l'éjection des électrons, était composé de particules appelées photons, et, de plus, chaque photon pourrait être interprété comme un paquet d'énergie. Sur la base des études de Planck, il a été possible de conclure que les photons du rayonnement ultraviolet sont plus énergétiques que les photons de la lumière visible.
En entrant en collision avec la surface du métal, les photons (constituants du rayonnement électromagnétique) échangent de l'énergie avec les électrons qui y sont présents. Si l'énergie absorbée par l'électron lors de la collision avec les photons est suffisamment grande, alors il sera éjecté. Pour en savoir plus sur l'effet photoélectrique, cliquez sur ici.
dualité onde-particule
L'effet photoélectrique a apporté une base solide que le rayonnement électromagnétique est composé de particules (photons). Cependant, de nombreuses autres expériences ont indiqué que le rayonnement électromagnétique se comportait comme une onde. Parmi ces expériences, la plus frappante était la diffraction — le phénomène physique observé lorsqu'une onde rencontre un obstacle ou, selon une autre interprétation, la capacité des vagues à surmonter les obstacles.
O Le caractère ondulatoire de la lumière est connu depuis 1801, lorsque le physicien anglais Thomas Young a mis en lumière une barrière avec une fente. Lorsqu'elle traverse cette fente, la lumière subit une diffraction. A chaque fente, y compris, que passe la lumière, même diffractée, elle subit une nouvelle diffraction.
Comme ça, il a fallu accepter un nouveau comportement pour le rayonnement électromagnétique: la dualité onde-particule. À partir de là, le scientifique français Louis de Broglie a élargi ce concept, suggérant que toutes les particules devraient également être comprises comme ayant un comportement ondulatoire.
L'hypothèse de Broglie s'est renforcée en 1925, lorsque les scientifiques américains Clinton Davisson et Lester Germer a prouvé qu'un faisceau d'électrons était capable de subir une diffraction en traversant un monocristal de nickel.
Cette perception était essentielle pour arriver à la conclusion que les particules plus lourdes, telles que les molécules, étaient également capables de subir une diffraction et, par conséquent, de présenter un comportement ondulatoire. Pour en savoir plus sur la dualité onde-particule, cliquez sur ici.
principe incertain
En physique classique, il vous est facile de déterminer la trajectoire d'une particule. Cependant, dans le monde quantique, où les particules se comportent aussi comme des ondes, leur trajectoire n'est plus aussi précise. Ceci parce que cela n'a aucun sens de parler de l'emplacement d'une vague.
Par exemple, sur une guitare, lorsque vous pincez une corde, l'onde se propage sur toute sa longueur. Si une particule a ce même comportement, il n'y a aucun moyen de définir exactement son emplacement, même connaissant sa quantité de mouvement linéaire (grandeur qui mélange masse et vitesse).
Par conséquent, l'électron, qui a également un double caractère, n'a pas d'orbite/chemin défini autour du noyau atomique, comme beaucoup le pensent. UNla dualité crée alors une incertitude sur la position exacte de la particule.
Cette incertitude dans la définition de la position est négligeable pour les corps très lourds, mais pleinement significative pour les corps de taille atomique ou subatomique, c'est-à-dire que si vous savez que la particule est à un certain endroit, à un certain moment, vous ne saurez plus où elle sera dans le prochain instantané.
De ce dilemme est né le principe d'incertitude., créé par le physicien allemand Werner Heisenberg en 1927. Selon ce principe, il n'est pas possible de connaître la position et l'impulsion linéaire d'une particule sans marge d'erreur, c'est-à-dire que si une propriété est connue, l'autre ne l'est pas. Pour en savoir plus sur le principe d'incertitude, cliquez sur ici.
Caractéristiques du modèle atomique de Schrödinger
Comme, du fait du double caractère de la particule, il n'était plus possible de lui définir une trajectoire spécifique, en 1927, le scientifique autrichien Erwin Schrödinger a remplacé cette trajectoire précise par une fonction d'onde, représentée par la lettre grecque psi (ψ), les valeurs de cette fonction variant selon la position. Un exemple de fonction d'onde est la fonction sinus de X.
Le scientifique Max Born a ensuite créé une interprétation physique de la fonction d'onde, déclarant que la carré de la fonction ψ, c'est-à-dire ψ², serait proportionnel à la probabilité de trouver une particule dans un région. Ainsi, ψ² est compris comme la densité de probabilité de trouver une particule dans une certaine région. Comme il s'agit d'une densité de probabilité, la valeur de ψ² doit être multipliée par le volume pour obtenir la vraie probabilité.
Pour calculer la fonction d'onde, Schrödinger a développé une équation, simplifié comme suit :
Hψ = Eψ
Hψ doit être lu comme « hamiltonien du psi », et décrit la courbure de la fonction d'onde. L'hamiltonien est un opérateur mathématique, tout comme le plus, le moins, le log, etc. Le côté droit nous apporte l'énergie correspondante.
La solution de cette équation nous amène à une conclusion importante : les particules ne peuvent avoir que des énergies discrètess, c'est-à-dire des énergies bien déterminées, ou quantifiées, et non n'importe quelle valeur. Ces valeurs d'énergie spécifiques sont appelées niveaux d'énergie. Il s'agit d'une imposition de la fonction d'onde, car elle doit s'adapter à une région spécifique de l'espace. En mécanique classique, un objet peut avoir n'importe quelle valeur d'énergie totale.
Comme ça, un électron ne peut pas avoir d'énergie, mais des niveaux d'énergie bien définis. Étant donné que la fonction d'onde doit s'adapter à une région de l'espace, rappelez-vous qu'un l'électron est confiné à l'intérieur d'un atome par les forces d'attraction qu'il exerce sur le noyau.
Les niveaux d'énergie d'un atome peuvent être calculés en résolvant de manière appropriée l'équation de Schrödinger. Dans ce cas, on remarque que la résolution atteint une nouvelle équation, ce qui démontre que l'énergie de chaque niveau de l'atome dépend d'un nombre entier, appelé n, ce qui corrobore l'idée que les niveaux d'énergie ont des valeurs spécifiques.
Ainsi, en attribuant des valeurs positives à n (1, 2, 3...), il est possible de calculer l'énergie des niveaux atomiques. Le paramètre n est maintenant appelé le nombre quantique principal, car il finit par être lié à chaque niveau atomique autorisé pour un atome.
Au les fonctions d'ondes électroniques sont appelées orbitales atomiques, dont les expressions mathématiques sont également obtenues en résolvant l'équation de Schrödinger. Une orbitale atomique présente la distribution de l'électron dans un atome, c'est-à-dire la région de probabilité d'existence d'un électron dans un atome. Les orbitales atomiques peuvent avoir différentes formes et énergies, également obtenues par l'équation de Schrödinger.
Pour chaque niveau d'énergie n (se souvenant que n peut être 1, 2, 3...), il y a n sous-niveaux. Dans chaque sous-niveau, il y a des orbitales de différentes formes. Il n'y a pas de limite aux différentes orbitales, mais avec les atomes connus à ce jour, les chimistes n'en utilisent que quatre, identifiés par les lettres s, P, d C'est F.
Ainsi, par exemple, au niveau n = 1, il n'y a qu'un seul sous-niveau, donc il n'y a que l'orbite s. Maintenant pour le niveau n = 2, il y a deux sous-niveaux, les orbitales étant présentes s C'est P.
Avancées du modèle atomique de Schrödinger par rapport aux autres modèles atomiques
Comme mentionné, Schrödinger n'a pas nécessairement présenté un modèle mais une interprétation mathématique. pour les phénomènes observés concernant la nature des particules. Dès lors, son interprétation devient complexe, puisque l'équation de Schrödinger elle-même nécessite des connaissances mathématiques avancées pour sa résolution et même pour son interprétation.
Cependant, le Les études de Schrödinger ont apporté une grande robustesse pour justifier l'énergie des atomes et des électrons cadeaux. Par exemple, la résolution de l'équation de Schrödinger confirme le modèle atomique de Bohr pour l'atome d'hydrogène et les autres atomes hydrogénoïdes (ceux qui n'ont qu'un électron). Comme Schrödinger, Bohr est arrivé aux niveaux d'énergie admissibles pour l'atome d'hydrogène.
Cependant, le modèle atomique de Bohr n'est pas capable d'atteindre des niveaux électroniques pour les atomes avec plus d'un électron et démontre ainsi sa principale faiblesse. Lorsque deux électrons sont présents, il faut considérer la répulsion électronique entre eux, un paramètre qui peut être ajouté à la compréhension mathématique proposée par Schrödinger.
Un autre point important des études de Schrödinger est l'adaptation de concepts quantiques, comme la dualité de la particule, ainsi qu'une trajectoire exacte pour un électron. La définition de l'orbite atomique est très importante pour comprendre le structure de tous les atomes. UN la densité de probabilité (ψ²) nous aide à comprendre comment les électrons occupent les orbitales atomiques dans les atomes polyélectroniques, apportant des informations plus précises sur l'énergie de l'électron.
Par Stefano Araujo Novais
Professeur de chimie
En savoir plus sur la structure de l'atome et ses principales particules constitutives: protons, neutrons et électrons.
Connaître l'évolution du modèle atomique dans l'histoire.
Cliquez et découvrez les principales caractéristiques du modèle atomique de Rutherford et l'expérience qui a permis sa formulation.
Découvrez quelles sont les principales caractéristiques, problématiques et à partir de quels aspects le modèle atomique de Thomson a été proposé !
Entrez et rencontrez l'atome de Bohr, qui était un modèle atomique basé sur des postulats décrivant avec succès l'atome d'hydrogène.
