O Schrödingerov model atoma je uobičajeni oblik koji se koristi za označavanje opis atoma rješavanjem Schrödingerove jednadžbe, koju je predložio austrijski fizičar Erwin Schrödinger 1927. godine. Jednadžba je zamišljena na temelju važnih opažanja dobivenih unutar kvantne mehanike, donoseći robusno opravdanje za energiju atoma i elektrona.
Atom koji je zamislio Schrödinger temelji se na dualnosti val-čestica, na principu nesigurnosti, između ostalih pojmova skovanih početkom 20. stoljeća. Donijela je veliki napredak u razumijevanju materije, jer je otvorila put za čvršće razumijevanje polielektronskih atoma, nešto što nije moguće s atomskim modelom koji je predložio Bohr.
Pročitajte također: Atomski modeli — modeli predloženi za objašnjenje strukture atoma
Teme ovog članka
- 1 - Sažetak Schrödingerovog atomskog modela
- 2 - Što je Schrödingerov atomski model?
-
3 - Eksperimentalna osnova za Schrödingerov model atoma
- Fotoelektrični efekt
- valno-čestični dualitet
- princip neizvjesnosti
- 4 - Karakteristike Schrödingerovog atomskog modela
- 5 - Napredak Schrödingerovog atomskog modela u odnosu na druge atomske modele
Sažetak o Schrödingerovom modelu atoma
Schrödingerov atomski model zapravo je opis atoma i elektrona kroz Schrödingerovu jednadžbu.
Schrödingerova jednadžba je razvijena kroz važne studije u polju kvantne mehanike.
Dvojnost val-čestica, načelo nesigurnosti, između ostalih teorija, bili su ključni za stvaranje Schrödingerove jednadžbe.
Rješavanjem Schrödingerove jednadžbe moguće je opisati energiju atoma kao i energiju elektrona.
Na temelju interpretacije Schrödingerove jednadžbe vidi se da elektroni nemaju određena orbita oko atoma, već područje vjerojatnosti postojanja oko njega od njega.
Schrödingerove studije proširuju razumijevanje atoma koje je predložio Bohrjer omogućuju razumijevanje ponašanja polielektroničkih atoma.
Što je Schrödingerov atomski model?
Schrödingerov atomski model je zajednički naziv za opis atomskog modela temeljenog na kvantnoj mehanici. Glavna karakteristika ovog modela je matematička interpretacija dualnosti val-čestica koju su usvojili elektroni, više konkretno, zamjena dobro definirane putanje elektrona vjerojatnošću postojanja elektrona oko jezgra.
Takvo tumačenje počelo je kroz rad austrijskog znanstvenika Erwina Schrödingera, 1927. godine, nakon važnih napredaka u razumijevanju materije u području kvantne mehanike, kao što su fotoelektrični efekt, princip neodređenosti i dualnost val-čestica.
Razumijevanje Schrödingerovog atomskog modela nije trivijalno, jer mu se pristupa na naprednijim razinama proučavanja kemije.
Nemoj sada stati... Ima još nakon publiciteta ;)
Eksperimentalna osnova za Schrödingerov model atoma
Prije studija Erwina Schrödingera, došlo je do važnih napredaka u razumijevanje materije početkom 20. stoljeća. Takvi eksperimenti pokrenuli su polje teorijskog znanja poznato kao kvantna mehanika, koja donosi tumačenja o ponašanju čestica blizu ili ispod atomske ljestvice. U ovom specifičnom svemiru, zakoni klasične fizike, također poznati kao Newtonova fizika, često se ne primjenjuju ili nisu dovoljni za objašnjenje određenih ponašanja.
Samo da dobijemo ideju, možemo reći da kvantna mehanika počinje s temom poznatom kao ultraljubičasta katastrofa. Prema klasičnoj fizici, crno tijelo (vrući objekt), čija je temperatura različita od nule, emitira intenzivno ultraljubičasto zračenje, uz gama zračenje i X-zrake.
To znači da bismo mi ljudi sa svojom temperaturom od 36-37 °C svijetlili u mraku (posljedica žarenja). Nepotrebno je reći da je to potpuna besmislica, jer da je tako, tame ne bi bilo.
U ovom kontekstu, Godine 1900. Max Planck stvorio je koncept koliko, u prijevodu “paketi energije”, kako bi se objasnila izmjena energije između materije i zračenja. Prema njegovom tumačenju, tijelo na niskim temperaturama (kao mi) nema dovoljno energije za emitiranje visokofrekventnog ultraljubičastog zračenja.
Dakle, tijelo može emitirati visokofrekventno ultraljubičasto zračenje tek kada dobije minimalno potrebnu energiju. U ovom stanju, izmjena energije između materije i okoline događa se kroz pakete energije zračenja.
Energetski paketi također donose razliku u odnosu na klasičnu fiziku. Kada govorimo o paketima energije, to se odnosi na energiju koja je kvantizirana, odnosno specifično je, postoji nametanje granica. U Newtonovoj fizici, količina energije koja se izmjenjuje između dva objekta nema ograničenja.
Fotoelektrični efekt
Da bi se teorijama koje je predložio Planck dala robusnost, bilo je potrebno više dokaza. U tom kontekstu pojavio se fotoelektrični efekt., koji se bavi izbacivanjem elektrona iz metala upadom ultraljubičastog zračenja na njegovu površinu.
Prema promatranjima ove teorije, elektroni se ne izbacuju sve dok zračenje ne dosegne frekvenciju određene vrijednosti, specifične za svaki metal. Nakon što se dosegne ova frekvencija, elektroni se odmah izbacuju, a što je intenzivnija frekvencija upadnog zračenja, to će izbačeni elektron biti brži.
A objašnjenje fotoelektričnog efekta dao je Albert Einstein. Prema Einsteinu, elektromagnetsko zračenje (svjetlost je, na primjer, elektromagnetsko zračenje), koje se koristi za izbacivanje elektrona, sastoji se od čestice poznate kao fotoni, i, štoviše, svaki foton bi se mogao protumačiti kao paket energije. Na temelju Planckovih studija bilo je moguće zaključiti da su fotoni ultraljubičastog zračenja energičniji od fotona vidljive svjetlosti.
Prilikom sudara s površinom metala, fotoni (sastojci elektromagnetskog zračenja) izmjenjuju energiju s tamo prisutnim elektronima. Ako je energija koju je elektron apsorbirao iz sudara s fotonima dovoljno velika, tada će biti izbačen. Da biste saznali više o fotoelektričnom učinku, kliknite ovdje.
valno-čestični dualitet
Fotoelektrični efekt donio je snažnu osnovu da je elektromagnetsko zračenje sastavljeno od čestica (fotona). Međutim, mnogi drugi pokusi pokazali su da se elektromagnetsko zračenje ponaša poput vala. Od ovih eksperimenata, najupečatljiviji je bio difrakcija - fizički fenomen koji se opaža kada val naiđe na prepreku ili, prema drugom tumačenju, sposobnost valova da svladaju prepreke.
O Valni karakter svjetlosti poznat je od 1801, kada je engleski fizičar Thomas Young osvijetlio barijeru s prorezom. Kada prođe kroz ovaj prorez, svjetlost podliježe difrakciji. Na svakom prorezu, uključujući onaj kroz koji svjetlost prođe, čak i kad se difragira, prolazi kroz novu difrakciju.
Kao ovo, bilo je potrebno prihvatiti novo ponašanje elektromagnetskog zračenja: dualnost val-čestica. Odatle je francuski znanstvenik Louis de Broglie proširio ovaj koncept, sugerirajući da se sve čestice također trebaju shvatiti kao one koje imaju valno ponašanje.
De Brogliejeva hipoteza ojačala je 1925. godine, kada su američki znanstvenici Clinton Davisson i Lester Germer je dokazao da je snop elektrona sposoban podvrgnuti se difrakciji kada prolazi kroz monokristal nikal.
Ova percepcija bila je ključna za dolazak do zaključka da su teže čestice, poput molekula, također sposobne podvrgnuti se difrakciji i, prema tome, pokazati valovito ponašanje. Da biste saznali više o dualnosti val-čestica, kliknite ovdje.
princip neizvjesnosti
U klasičnoj fizici lako vam je odrediti putanju čestice. Međutim, u kvantnom svijetu, u kojem se čestice također ponašaju kao valovi, njihova putanja više nije tako precizna. Ovo zato što nema smisla govoriti o mjestu vala.
Na primjer, na gitari, kada trzate žicu, val se širi cijelom njezinom dužinom. Ako se čestica ponaša na isti način, ne postoji način da se čak točno definira njezin položaj znajući njegov linearni moment (veličina koja miješa masu i brzinu).
Dakle, elektron, koji također ima dualni karakter, nema definiranu orbitu/put oko atomske jezgre, kako mnogi vjeruju. Adualnost tada stvara neizvjesnost o točnom položaju čestice.
Ova nesigurnost u definiciji položaja je zanemariva za vrlo teška tijela, ali potpuno značajna za tijela atomske veličine ili subatomski, odnosno ako znaš da je čestica na određenom mjestu, u određenom trenutku, više nećeš znati gdje će biti u sljedećem trenutak.
Iz ove dileme proizašlo je načelo nesigurnosti., koji je uspostavio njemački fizičar Werner Heisenberg 1927. godine. Prema ovom principu, nije moguće znati položaj i linearnu količinu gibanja čestice bez margine pogreške, odnosno ako je jedno svojstvo poznato, drugo nije. Da biste saznali više o principu nesigurnosti, kliknite ovdje.
Značajke Schrödingerovog modela atoma
Kako zbog dualnog karaktera čestice više nije bilo moguće definirati joj specifičnu putanju, 1927. austrijski znanstvenik Erwin Schrödinger je ovu preciznu putanju zamijenio valnom funkcijom, predstavljena grčkim slovom psi (ψ), pri čemu vrijednosti ove funkcije variraju ovisno o položaju. Primjer valne funkcije je sinusna funkcija x.
Znanstvenik Max Born zatim je napravio fizikalnu interpretaciju valne funkcije, navodeći da je kvadrat funkcije ψ, odnosno ψ², bio bi proporcionalan vjerojatnosti pronalaska čestice u regija. Stoga se ψ² shvaća kao gustoća vjerojatnosti pronalaska čestice u nekom području. Kako se radi o gustoći vjerojatnosti, vrijednost ψ² mora se pomnožiti s volumenom da bi se dobila prava vjerojatnost.
Za izračun valne funkcije Schrödinger je razvio jednadžbu, pojednostavljeno na sljedeći način:
Hψ = Eψ
Hψ treba čitati kao "psi hamiltonijan", a opisuje zakrivljenost valne funkcije. Hamiltonijan je matematički operator, baš kao i plus, minus, log, itd. Desna strana nam donosi odgovarajuću energiju.
Rješenje ove jednadžbe donosi nam važan zaključak: čestice mogu imati samo diskretne energijes, to jest, dobro određene energije, ili kvantizirane, a ne bilo koje vrijednosti. Ove specifične energetske vrijednosti poznate su kao energetske razine. Ovo je nametanje valne funkcije, jer treba stati u određeno područje prostora. U klasičnoj mehanici, tijelo može imati bilo koju vrijednost ukupne energije.
Kao ovo, elektron ne može imati nikakvu energiju, ali dobro definirane energetske razine. Budući da valna funkcija mora odgovarati području prostora, zapamtite da a elektron je zatvoren unutar atoma kroz sile privlačenja koje ima za jezgru.
Energetske razine atoma mogu se izračunati odgovarajućim rješavanjem Schrödingerove jednadžbe. U ovom slučaju, primjećuje se da rezolucija doseže novu jednadžbu, koja pokazuje da energija svake razine u atomu ovisi o cijelom broju, tzv. n, što potvrđuje ideju da razine energije imaju specifične vrijednosti.
Dakle, dodjeljivanje pozitivnih vrijednosti n (1, 2, 3...), moguće je izračunati energiju atomskih razina. Parametar n sada se naziva glavni kvantni broj, budući da je povezan sa svakom atomskom razinom dopuštenom za atom.
Prema valne funkcije elektrona nazivaju se atomske orbitale, čiji se matematički izrazi također dobivaju rješavanjem Schrödingerove jednadžbe. Atomska orbitala predstavlja raspored elektrona u atomu, odnosno područje vjerojatnosti postojanja elektrona u atomu. Atomske orbitale mogu imati različite oblike i energije, također dobivene Schrödingerovom jednadžbom.
Za svaku razinu energije n (Sjećajući se toga n može biti 1, 2, 3...), postoje n podrazine. U svakoj podrazini postoje orbitale različitog oblika. Ne postoje ograničenja za različite orbitale, ali s do sada poznatim atomima kemičari koriste samo njih četiri, označene slovima s, P, d to je f.
Tako npr. na razini n = 1, postoji samo jedan podnivo, dakle postoji samo orbitala s. Sada za razinu n = 2, postoje dvije podrazine, orbitale su prisutne s to je P.
Napredak Schrödingerovog atomskog modela u odnosu na druge atomske modele
Kao što je spomenuto, Schrödinger nije nužno predstavio model već matematičku interpretaciju. za promatrane pojave koje se tiču prirode čestica. Stoga njezino tumačenje postaje složeno, budući da sama Schrödingerova jednadžba treba napredno matematičko znanje za njezino rješavanje, pa čak i za njezino tumačenje.
Međutim Schrödingerove studije donijele su veliku robusnost da bi se opravdala energija atoma i elektrona pokloni. Na primjer, rezolucija Schrödingerove jednadžbe potvrđuje Bohrov atomski model za atom vodika i druge hidrogenoidne atome (one koji imaju samo 1 elektron). Poput Schrödingera, Bohr je došao do dopuštenih razina energije za atom vodika.
Međutim, Bohrov atomski model nije u stanju dosegnuti elektroničke razine za atome s više od 1 elektrona i stoga pokazuje svoju glavnu slabost. Kada su prisutna dva elektrona, potrebno je uzeti u obzir elektronsko odbijanje između njih, parametar koji se može dodati matematičkom razumijevanju koje je predložio Schrödinger.
Druga važna točka Schrödingerovih studija je prilagodba kvantnih koncepata, kao što je dualnost čestice, kao i točna putanja elektrona. Definicija atomske orbitale vrlo je važna za razumijevanje struktura svih atoma. A gustoća vjerojatnosti (ψ²) pomaže nam razumjeti kako elektroni zauzimaju atomske orbitale u polielektronskim atomima, donoseći više specifičnih informacija o energiji elektrona.
Autor Stefano Araujo Novais
Profesor kemije
Saznajte više o strukturi atoma i njegovim glavnim sastavnim česticama: protonima, neutronima i elektronima.
Poznavati evoluciju atomskog modela u povijesti.
Kliknite i saznajte više o glavnim značajkama Rutherfordova atomskog modela i eksperimentu koji je omogućio njegovu formulaciju.
Saznajte koje su glavne karakteristike, problemi i s kojih aspekata je predložen Thomsonov atomski model!
Uđite i upoznajte Bohrov atom, koji je bio atomski model temeljen na postulatima koji su uspješno opisali atom vodika.
