O Schrödingers atommodell er en vanlig form som brukes til å betegne beskrivelse av atomet ved å løse Schrödinger-ligningen, foreslått av den østerrikske fysikeren Erwin Schrödinger i 1927. Ligningen er unnfanget basert på viktige observasjoner oppnådd innen kvantemekanikk, og gir en robust begrunnelse for energien til atomet og elektronet.
Atomet unnfanget av Schrödinger er basert på bølge-partikkel-dualiteten, på usikkerhetsprinsippet, blant andre forestillinger laget på begynnelsen av det 20. århundre. Det brakte store fremskritt til forståelsen av materie, da det banet vei for en mer solid forståelse av polyelektroniske atomer, noe som ikke er mulig med atommodellen foreslått av Bohr.
Les også: Atommodeller - modellene foreslått for å forklare strukturen til atomet
Emner i denne artikkelen
- 1 - Sammendrag av Schrödingers atommodell
- 2 - Hva er Schrödingers atommodell?
-
3 - Eksperimentelt grunnlag for Schrödingers atommodell
- Fotoelektrisk effekt
- bølge-partikkel dualitet
- usikkerhetsprinsippet
- 4 - Kjennetegn ved Schrödinger-atommodellen
- 5 - Fremskritt av Schrödingers atommodell i forhold til andre atommodeller
Sammendrag om Schrödingers atommodell
Schrödingers atommodell er egentlig beskrivelsen av atomet og elektronene gjennom Schrödinger-ligningen.
Schrödinger-ligningen ble utviklet gjennom viktige studier innen kvantemekanikk.
Bølge-partikkel-dualiteten, usikkerhetsprinsippet, blant andre teorier, var avgjørende for opprettelsen av Schrödinger-ligningen.
Ved å løse Schrödinger-ligningen er det mulig å beskrive energien til atomet så vel som elektronet.
Basert på tolkningen av Schrödinger-ligningen, kan man se at elektroner ikke har en bestemt bane rundt atomet, men snarere et område med sannsynlighet for eksistens rundt fra han.
Schrödingers studier utvider forståelse av atomet foreslått av Bohr, da de tillater en forståelse av oppførselen til polyelektroniske atomer.
Hva er Schrödingers atommodell?
Schrödinger-atommodellen er et vanlig navn for beskrivelse av en atommodell basert på kvantemekanikk. Hovedkarakteristikken til denne modellen er den matematiske tolkningen av bølge-partikkel-dualiteten adoptert av elektroner, mer spesifikt, erstatning av en veldefinert bane for elektronet med sannsynligheten for eksistens av elektronet rundt kjerne.
En slik tolkning begynte gjennom arbeidet til den østerrikske forskeren Erwin Schrödinger, i 1927, etter viktige fremskritt i å forstå materie innen kvantemekanikk, slik som den fotoelektriske effekten, usikkerhetsprinsippet og dualitet bølge-partikkel.
Forståelsen av Schrödingers atommodell er ikke triviell, og blir tilnærmet på mer avanserte nivåer av studiet av kjemi.
Ikke stopp nå... Det er mer etter publisiteten ;)
Eksperimentelt grunnlag for Schrödingers atommodell
Før studiene til Erwin Schrödinger var det viktige fremskritt i forståelse av materie på begynnelsen av 1900-tallet. Slike eksperimenter startet feltet for teoretisk kunnskap kjent som kvantemekanikk, som bringer tolkninger om oppførselen til partikler nær eller under atomskalaen. I dette spesifikke universet gjelder ikke lovene i klassisk fysikk, også kjent som Newtonsk fysikk, eller er ikke tilstrekkelige til å forklare visse atferder.
Bare for å få en idé, kan vi si at kvantemekanikk starter med et emne kjent som den ultrafiolette katastrofen. I følge klassisk fysikk sender en svart kropp (varmt objekt), med en temperatur forskjellig fra null, intens ultrafiolett stråling, i tillegg til gammastråling og røntgenstråler.
Dette betyr at vi mennesker, med vår temperatur på 36-37 °C, ville glødet i mørket (konsekvens av gløde). Unødvendig å si er dette fullstendig tull, for hvis det var, ville det ikke vært noe mørke.
I denne sammenhengen, I 1900 skapte Max Planck konseptet hvor mye, oversatt som "pakker med energi", for å forklare utvekslingen av energi mellom materie og stråling. Ifølge hans tolkning har ikke en kropp ved lave temperaturer (som oss) nok energi til å sende ut høyfrekvent ultrafiolett stråling.
Dermed kan en kropp bare sende ut høyfrekvent ultrafiolett stråling når den får minimum nødvendig energi. I denne tilstanden skjer utvekslingen av energi mellom materie og omgivelser gjennom pakker med strålingsenergi.
Energipakker gir også en forskjell i forhold til klassisk fysikk. Når man snakker om energipakker, refererer det til energi som er kvantisert, det vil si at det er spesifikt, det er pålegg av grenser. I newtonsk fysikk har mengden energi som utveksles mellom to objekter ingen begrensninger.
Fotoelektrisk effekt
For å gi robusthet til teoriene foreslått av Planck, var det nødvendig med mer bevis. I denne sammenhengen dukket den fotoelektriske effekten opp., som omhandler utstøting av elektroner fra et metall gjennom forekomsten av ultrafiolett stråling på overflaten.
I følge observasjonene av denne teorien blir ingen elektroner kastet ut før strålingen når en frekvens med en viss verdi, spesifikk for hvert metall. Når denne frekvensen er nådd, blir elektronene umiddelbart kastet ut, og jo mer intens frekvensen av den innfallende strålingen er, desto raskere vil det utkastede elektronet ha.
EN forklaringen på den fotoelektriske effekten ble gitt av Albert Einstein. I følge Einstein var elektromagnetisk stråling (lys er for eksempel elektromagnetisk stråling), brukt til utstøting av elektroner, sammensatt av partikler kjent som fotoner, og dessuten kan hvert foton tolkes som en energipakke. Basert på Plancks studier var det mulig å konkludere med at fotoner av ultrafiolett stråling er mer energiske enn fotoner av synlig lys.
Når de kolliderer med metallets overflate, utveksler fotonene (bestanddeler av elektromagnetisk stråling) energi med elektronene som er tilstede der. Hvis energien som absorberes av elektronet fra å kollidere med fotonene er stor nok, vil den bli kastet ut. For å lære mer om den fotoelektriske effekten, klikk her.
bølge-partikkel dualitet
Den fotoelektriske effekten brakte et sterkt grunnlag for at elektromagnetisk stråling er sammensatt av partikler (fotoner). Imidlertid indikerte mange andre eksperimenter at elektromagnetisk stråling oppførte seg som en bølge. Av disse eksperimentene var det mest slående diffraksjon – det fysiske fenomenet observert når en bølge møter en hindring eller, ved en annen tolkning, bølgenes evne til å overvinne hindringer.
O Lysets bølgekarakter har vært kjent siden 1801, da den engelske fysikeren Thomas Young lyste på en barriere med en spalte. Når det passerer gjennom denne spalten, gjennomgår lys diffraksjon. Ved hver spalte, inkludert, at lyset passerer, til og med diffraktert, gjennomgår det en ny diffraksjon.
Som dette, det var nødvendig å akseptere en ny oppførsel for elektromagnetisk stråling: bølge-partikkel-dualiteten. Derfra utvidet den franske forskeren Louis de Broglie dette konseptet, og antydet at alle partikler også bør forstås som å ha bølgeadferd.
De Broglie-hypotesen ble styrket i 1925, da de amerikanske vitenskapsmennene Clinton Davisson og Lester Germer beviste at en elektronstråle var i stand til å gjennomgå diffraksjon når den passerte gjennom en enkelt krystall av nikkel.
Denne oppfatningen var avgjørende for å komme til konklusjonen at tyngre partikler, som molekyler, også var i stand til å gjennomgå diffraksjon og derfor utvise bølgelignende oppførsel. For å lære mer om bølge-partikkel dualitet, klikk her.
usikkerhetsprinsippet
I klassisk fysikk er det lett for deg å bestemme banen til en partikkel. Men i kvanteverdenen, der partikler også oppfører seg som bølger, er banen deres ikke lenger så presis. Dette fordi det gir ingen mening å snakke om plasseringen av en bølge.
For eksempel, på en gitar, når du plukker en streng, sprer bølgen seg over hele lengden. Hvis en partikkel har den samme oppførselen, er det ingen måte å definere plasseringen nøyaktig på, selv kjenne dets lineære momentum (mengde som blander masse og hastighet).
Derfor har ikke elektronet, som også har en dobbel karakter, en definert bane/bane rundt atomkjernen, slik mange tror. ENdualitet skaper da usikkerhet om partikkelens nøyaktige posisjon.
Denne usikkerheten i posisjonsdefinisjonen er ubetydelig for svært tunge kropper, men fullt betydelig for kropper av atomstørrelse eller subatomisk, det vil si at hvis du vet at partikkelen er på et bestemt sted, i et bestemt øyeblikk, vil du ikke lenger vite hvor den vil være i neste umiddelbar.
Fra dette dilemmaet oppsto usikkerhetsprinsippet., etablert av den tyske fysikeren Werner Heisenberg i 1927. I følge dette prinsippet er det ikke mulig å vite posisjonen og lineært momentum til en partikkel uten en feilmargin, det vil si at hvis en egenskap er kjent, er den andre ikke det. For å lære mer om usikkerhetsprinsippet, klikk her.
Funksjoner ved Schrödingers atommodell
Siden partikkelens doble karakter ikke lenger var mulig å definere en spesifikk bane for den, i 1927, den østerrikske vitenskapsmannen Erwin Schrödinger erstattet denne nøyaktige banen med en bølgefunksjon, representert med den greske bokstaven psi (ψ), med verdiene til denne funksjonen som varierer i henhold til posisjonen. Et eksempel på en bølgefunksjon er sinusfunksjonen til x.
Forsker Max Born skapte deretter en fysisk tolkning for bølgefunksjonen, og uttalte at kvadratet av funksjonen ψ, det vil si ψ², vil være proporsjonal med sannsynligheten for å finne en partikkel i en region. Dermed forstås ψ² som sannsynlighetstettheten for å finne en partikkel i et område. Siden det er en sannsynlighetstetthet, må verdien av ψ² multipliseres med volumet for å få den sanne sannsynligheten.
For å beregne bølgefunksjonen utviklet Schrödinger en ligning, forenklet som følger:
Hψ = Eψ
Hψ skal leses som "Hamiltonian of psi", og beskriver krumningen til bølgefunksjonen. Hamiltonianeren er en matematisk operator, akkurat som pluss, minus, log, etc. Høyre side gir oss den tilsvarende energien.
Løsningen av denne ligningen gir oss en viktig konklusjon: partikler kan bare ha diskrete energiers, det vil si velbestemte energier, eller kvantiserte, og ikke noen verdi. Disse spesifikke energiverdiene er kjent som energinivåer. Dette er en pålegging av bølgefunksjonen, da den må passe inn i et spesifikt område av rommet. I klassisk mekanikk kan et objekt ha en hvilken som helst verdi av total energi.
Som dette, et elektron kan ikke ha noen energi, men veldefinerte energinivåer. Siden bølgefunksjonen må passe til et område i rommet, husk at a elektronet er innesperret i et atom gjennom tiltrekningskreftene som den har for kjernen.
Energinivåene til et atom kan beregnes ved å løse Schrödinger-ligningen på riktig måte. I dette tilfellet legges det merke til at oppløsningen når en ny ligning, som viser at energien til hvert nivå i atomet avhenger av et heltall, kalt n, som bekrefter ideen om at energinivåer har spesifikke verdier.
Dermed tildele positive verdier til n (1, 2, 3...), er det mulig å beregne energien til atomnivåene. Parameteren n kalles nå hovedkvantetallet, ettersom det ender opp knyttet til hvert atomnivå som er tillatt for et atom.
Til elektronbølgefunksjoner kalles atomorbitaler, hvis matematiske uttrykk også oppnås ved å løse Schrödinger-ligningen. En atomorbital presenterer fordelingen av elektronet i et atom, det vil si regionen med sannsynlighet for eksistens av et elektron i et atom. Atomorbitaler kan ha forskjellige former og energier, også oppnådd ved Schrödinger-ligningen.
For hvert energinivå n (Husker det n kan være 1, 2, 3...), det er n undernivåer. I hvert undernivå er det orbitaler med forskjellige former. Det er ingen grense for de forskjellige orbitalene, men med atomene kjent så langt, bruker kjemikere bare fire av dem, identifisert med bokstavene s, P, d Det er f.
Så for eksempel på nivået n = 1, det er bare ett undernivå, så det er bare orbitalen s. Nå for nivået n = 2, det er to undernivåer, orbitalene er tilstede s Det er P.
Fremskritt av Schrödingers atommodell i forhold til andre atommodeller
Som nevnt, Schrödinger presenterte ikke nødvendigvis en modell, men en matematisk tolkning. for observerte fenomener angående partiklers natur. Derfor blir tolkningen kompleks, siden Schrödinger-ligningen selv trenger avansert matematisk kunnskap for sin oppløsning og til og med for sin tolkning.
Imidlertid Schrödingers studier brakte stor robusthet for å rettferdiggjøre energien til atomer og elektroner gaver. For eksempel bekrefter oppløsningen til Schrödinger-ligningen Bohrs atommodell for hydrogenatomet og andre hydrogenoidatomer (de som bare har 1 elektron). I likhet med Schrödinger kom Bohr frem til de tillatte energinivåene for hydrogenatomet.
Bohrs atommodell er imidlertid ikke i stand til å nå elektroniske nivåer for atomer med mer enn 1 elektron og demonstrerer dermed sin viktigste svakhet. Når to elektroner er tilstede, er det nødvendig å vurdere den elektroniske frastøtningen mellom dem, en parameter som kan legges til den matematiske forståelsen foreslått av Schrödinger.
Et annet viktig poeng i Schrödingers studier er tilpasningen av kvantebegreper, som dualiteten til partikkelen, samt en nøyaktig bane for et elektron. Definisjonen av atomorbital er veldig viktig for å forstå strukturen til alle atomer. EN sannsynlighetstetthet (ψ²) hjelper oss å forstå hvordan elektroner okkuperer atomorbitaler i polyelektroniske atomer, og gir mer spesifikk informasjon om energien til elektronet.
Av Stefano Araujo Novais
Kjemilærer
Lær mer om strukturen til atomet og dets hovedbestanddeler: protoner, nøytroner og elektroner.
Kjenn til utviklingen av atommodellen i historien.
Klikk og lær om hovedtrekkene til Rutherfords atommodell og eksperimentet som muliggjorde formuleringen.
Finn ut hva som er hovedkarakteristikkene, problemene og fra hvilke aspekter Thomsons atommodell ble foreslått!
Gå inn og møt Bohr-atomet, som var en atommodell basert på postulater som vellykket beskrev hydrogenatomet.
