O Modelul atomic al lui Schrödinger este o formă comună folosită pentru a desemna descrierea atomului prin rezolvarea ecuației Schrödinger, propusă de fizicianul austriac Erwin Schrödinger în 1927. Ecuația este concepută pe baza unor observații importante obținute în cadrul mecanicii cuantice, aducând o justificare robustă pentru energia atomului și a electronului.
Atomul conceput de Schrödinger se bazează pe dualitatea undă-particulă, pe principiul incertitudinii, printre alte noțiuni inventate la începutul secolului XX. A adus mari progrese în înțelegerea materiei, deoarece a deschis calea pentru o înțelegere mai solidă a atomilor polielectronici, lucru care nu este posibil cu modelul atomic propus de Bohr.
Citeste si tu: Modele atomice — modelele propuse pentru a explica structura atomului
Subiectele acestui articol
- 1 - Rezumatul modelului atomic al lui Schrödinger
- 2 - Care este modelul atomic al lui Schrödinger?
-
3 - Baza experimentală pentru modelul atomic al lui Schrödinger
- Efect fotoelectric
- dualitate undă-particulă
- principiul incertitudinii
- 4 - Caracteristicile modelului atomic Schrödinger
- 5 - Progresele modelului atomic al lui Schrödinger în raport cu alte modele atomice
Rezumat despre modelul atomic al lui Schrödinger
Modelul atomic al lui Schrödinger este de fapt descrierea atomului și a electronilor prin ecuația Schrödinger.
Ecuația Schrödinger a fost dezvoltată prin studii importante în domeniul mecanicii cuantice.
Dualitatea undă-particulă, principiul incertitudinii, printre alte teorii, au fost esențiale pentru crearea ecuației Schrödinger.
Rezolvând ecuația Schrödinger, este posibil să descriem atât energia atomului, cât și cea a electronului.
Pe baza interpretării ecuației Schrödinger, se poate observa că electronii nu au o orbită definită în jurul atomului, ci mai degrabă o regiune de probabilitate de existență în jur de la el.
Studiile lui Schrödinger extind înţelegerea atomului propusă de Bohr, deoarece permit înțelegerea comportamentului atomilor polielectronici.
Care este modelul atomic al lui Schrödinger?
Modelul atomic Schrödinger este un nume comun pentru descrierea unui model atomic bazat pe mecanica cuantică. Caracteristica principală a acestui model este interpretarea matematică a dualității undă-particulă adoptată de electroni, mai mult în special, înlocuirea unei traiectorii bine definite a electronului cu probabilitatea de existență a electronului în jurul miez.
O astfel de interpretare a început prin munca savantului austriac Erwin Schrödinger, în 1927, după progrese importante. în înțelegerea materiei în domeniul mecanicii cuantice, cum ar fi efectul fotoelectric, principiul incertitudinii și dualitatea undă-particulă.
Înțelegerea modelului atomic al lui Schrödinger nu este banală, fiind abordată în niveluri mai avansate ale studiului Chimiei.
Nu te opri acum... Mai sunt dupa publicitate ;)
Baza experimentală pentru modelul atomic al lui Schrödinger
Înainte de studiile lui Erwin Schrödinger, au existat progrese importante în domeniul înțelegerea materiei la începutul secolului al XX-lea. Astfel de experimente au inițiat domeniul cunoștințelor teoretice cunoscut sub numele de mecanică cuantică, care aduce interpretări despre comportamentul particulelor apropiate sau sub scara atomică. În acest univers specific, legile fizicii clasice, cunoscute și sub numele de fizica newtoniană, adesea nu se aplică sau nu sunt suficiente pentru a explica anumite comportamente.
Doar pentru a ne face o idee, putem spune că mecanica cuantică începe cu un subiect cunoscut sub numele de catastrofa ultravioletă. Conform fizicii clasice, un corp negru (obiect fierbinte), cu o temperatură diferită de zero, emite radiații ultraviolete intense, pe lângă radiațiile gamma și razele X.
Aceasta înseamnă că noi, ființele umane, cu temperatura noastră de 36-37 °C, am străluci în întuneric (consecința incandescenței). Inutil să spun că aceasta este o prostie completă, căci dacă ar fi, nu ar fi întuneric.
În acest context, În 1900, Max Planck a creat conceptul de cât costă, tradus ca „pachete de energie”, pentru a explica schimbul de energie dintre materie și radiații. Conform interpretării sale, un corp la temperaturi scăzute (ca noi) nu are suficientă energie pentru a emite radiații ultraviolete de înaltă frecvență.
Astfel, un corp poate emite radiații ultraviolete de înaltă frecvență doar atunci când dobândește energia minimă necesară. În această condiție, schimbul de energie între materie și împrejurimi are loc prin pachete de energie de radiație.
Pachetele de energie aduc, de asemenea, o diferență în raport cu fizica clasică. Când vorbim despre pachete de energie, se referă la energia care este cuantificată, adică este specific, există o impunere de limite. În fizica newtoniană, cantitatea de energie schimbată între două obiecte nu are restricții.
Efect fotoelectric
Pentru a da soliditate teoriilor propuse de Planck, au fost necesare mai multe dovezi. În acest context a apărut efectul fotoelectric., care se ocupă cu ejecția electronilor dintr-un metal prin incidența radiațiilor ultraviolete pe suprafața acestuia.
Conform observațiilor acestei teorii, nu sunt ejectați electroni până când radiația atinge o frecvență de o anumită valoare, specifică fiecărui metal. Odată atinsă această frecvență, electronii sunt ejectați imediat, iar cu cât frecvența radiației incidente este mai intensă, cu atât electronul ejectat va avea mai repede.
A explicația efectului fotoelectric a fost dată de Albert Einstein. Potrivit lui Einstein, radiația electromagnetică (lumina, de exemplu, este radiație electromagnetică), folosită pentru ejectarea electronilor, era compusă din particule cunoscute sub numele de fotoniși, în plus, fiecare foton ar putea fi interpretat ca un pachet de energie. Pe baza studiilor lui Planck, s-a putut concluziona că fotonii radiațiilor ultraviolete sunt mai energici decât fotonii luminii vizibile.
La ciocnirea cu suprafața metalului, fotonii (constituenții radiației electromagnetice) schimbă energie cu electronii prezenți acolo. Dacă energia absorbită de electron în urma ciocnirii cu fotonii este suficient de mare, atunci va fi ejectată. Pentru a afla mai multe despre efectul fotoelectric, faceți clic Aici.
dualitate undă-particulă
Efectul fotoelectric a adus o bază puternică că radiația electromagnetică este compusă din particule (fotoni). Cu toate acestea, multe alte experimente au indicat că radiația electromagnetică s-a comportat ca o undă. Dintre aceste experimente, cel mai izbitor a fost difracția - fenomenul fizic observat atunci când o undă întâlnește un obstacol sau, printr-o altă interpretare, capacitatea valurilor de a depăși obstacolele.
O Caracterul ondulatoriu al luminii este cunoscut din 1801, când fizicianul englez Thomas Young a strălucit pe o barieră cu fantă. Când trece prin această fantă, lumina trece prin difracție. La fiecare fantă, inclusiv, prin care trece lumina, chiar difractată, suferă o nouă difracție.
Ca aceasta, a fost necesar să se accepte un nou comportament pentru radiațiile electromagnetice: dualitatea undă-particulă. De acolo, omul de știință francez Louis de Broglie a extins acest concept, sugerând că toate particulele ar trebui, de asemenea, înțelese ca având un comportament ondulatoriu.
Ipoteza de Broglie a câștigat putere în 1925, când oamenii de știință americani Clinton Davisson și Lester Germer a demonstrat că un fascicul de electroni era capabil să sufere difracție atunci când trece printr-un singur cristal de nichel.
Această percepție a fost esențială pentru a ajunge la concluzia că particulele mai grele, cum ar fi moleculele, erau, de asemenea, capabile să sufere difracție și, prin urmare, să prezinte un comportament asemănător undelor. Pentru a afla mai multe despre dualitatea undă-particulă, faceți clic Aici.
principiul incertitudinii
În fizica clasică, este ușor să determinați traiectoria unei particule. Cu toate acestea, în lumea cuantică, în care particulele se comportă și ele ca unde, traiectoria lor nu mai este atât de precisă. Aceasta pentru că nu are sens să vorbim despre locația unui val.
De exemplu, la o chitară, când ciupiți o coardă, valul se extinde pe toată lungimea sa. Dacă o particulă are același comportament, nu există nicio modalitate de a-și defini exact locația, chiar și cunoscându-i impulsul liniar (cantitate care amestecă masa și viteza).
Prin urmare, electronul, care are și un caracter dual, nu are o orbită/cale definită în jurul nucleului atomic, așa cum cred mulți. Adualitatea creează apoi incertitudine cu privire la poziția exactă a particulei.
Această incertitudine în definirea poziției este neglijabilă pentru corpurile foarte grele, dar pe deplin semnificativă pentru corpurile de dimensiune atomică sau subatomic, adică dacă știi că particula se află într-un anumit loc, la un moment dat, nu vei mai ști unde va fi în următorul instant.
Din această dilemă a apărut principiul incertitudinii., stabilit de fizicianul german Werner Heisenberg în 1927. Conform acestui principiu, nu este posibil să se cunoască poziția și impulsul liniar al unei particule fără o marjă de eroare, adică dacă o proprietate este cunoscută, cealaltă nu este. Pentru a afla mai multe despre principiul incertitudinii, faceți clic Aici.
Caracteristicile modelului atomic al lui Schrödinger
Întrucât, din caracterul dual al particulei, nu mai era posibil să se definească o traiectorie anume pentru aceasta, în 1927, omul de știință austriac Erwin Schrödinger a înlocuit această traiectorie precisă cu o funcție de undă, reprezentată de litera greacă psi (ψ), cu valorile acestei funcții variind în funcție de poziție. Un exemplu de funcție de undă este funcția sinusoială a X.
Omul de știință Max Born a creat apoi o interpretare fizică pentru funcția de undă, afirmând că pătratul funcției ψ, adică ψ², ar fi proporțional cu probabilitatea de a găsi o particulă într-o regiune. Astfel, ψ² este înțeles ca densitatea probabilității de a găsi o particule într-o anumită regiune. Deoarece este o densitate de probabilitate, valoarea lui ψ² trebuie înmulțită cu volumul pentru a obține probabilitatea adevărată.
Pentru a calcula funcția de undă, Schrödinger a dezvoltat o ecuație, simplificată după cum urmează:
Hψ = Eψ
Hψ ar trebui citit ca „psi hamiltonian” și descrie curbura funcției de undă. Hamiltonianul este un operator matematic, la fel ca plus, minus, log etc. Partea dreaptă ne aduce energia corespunzătoare.
Rezolvarea acestei ecuații ne aduce o concluzie importantă: particulele pot avea doar energii discretes, adică energii bine determinate, sau cuantizate, și nu orice valoare. Aceste valori energetice specifice sunt cunoscute sub denumirea de niveluri de energie. Aceasta este o impunere a funcției de undă, deoarece trebuie să se potrivească într-o anumită regiune a spațiului. În mecanica clasică, un obiect poate avea orice valoare a energiei totale.
Ca aceasta, un electron nu poate avea nicio energie, dar niveluri de energie bine definite. Deoarece funcția de undă trebuie să se potrivească cu o regiune a spațiului, amintiți-vă că a electronul este limitat în interiorul unui atom prin forţele de atracţie pe care le are pentru nucleu.
Nivelurile de energie ale unui atom pot fi calculate prin rezolvarea adecvată a ecuației Schrödinger. În acest caz, se observă că rezoluția ajunge la o nouă ecuație, ceea ce demonstrează că energia fiecărui nivel din atom depinde de un număr întreg, numit n, care coroborează ideea că nivelurile de energie au valori specifice.
Astfel, atribuirea unor valori pozitive n (1, 2, 3...), este posibil să se calculeze energia nivelurilor atomice. Parametrul n se numește acum numărul cuantic principal, deoarece ajunge să fie legat de fiecare nivel atomic permis pentru un atom.
La funcțiile de undă ale electronilor se numesc orbitali atomici, ale căror expresii matematice se obțin și prin rezolvarea ecuației Schrödinger. Un orbital atomic prezintă distribuția electronului într-un atom, adică regiunea de probabilitate de existență a unui electron într-un atom. Orbitalii atomici pot avea forme și energii diferite, obținute și prin ecuația Schrödinger.
Pentru fiecare nivel de energie n (Amintindu-ne asta n pot fi 1, 2, 3...), există n subniveluri. În fiecare subnivel, există orbiti de diferite forme. Nu există o limită a diferiților orbitali, dar cu atomii cunoscuți până acum, chimiștii folosesc doar patru dintre ei, identificați prin litere. s, P, d Este f.
Deci, de exemplu, la nivel n = 1, există un singur subnivel, deci există doar orbital s. Acum pentru nivel n = 2, există două subniveluri, orbitalii fiind prezenți s Este P.
Progresele modelului atomic al lui Schrödinger în raport cu alte modele atomice
După cum se menționează, Schrödinger nu a prezentat neapărat un model, ci o interpretare matematică. pentru fenomenele observate privind natura particulelor. Prin urmare, interpretarea sa devine complexă, deoarece ecuația Schrödinger în sine are nevoie de cunoștințe matematice avansate pentru rezolvarea ei și chiar pentru interpretarea ei.
Însă Studiile lui Schrödinger au adus o mare robustețe pentru a justifica energia atomilor și a electronilor cadouri. De exemplu, rezoluția ecuației Schrödinger confirmă modelul atomic al lui Bohr pentru atomul de hidrogen și alți atomi hidrogenoizi (cei care au doar 1 electron). La fel ca Schrödinger, Bohr a ajuns la nivelurile de energie permise pentru atomul de hidrogen.
Cu toate acestea, modelul atomic al lui Bohr nu este capabil să atingă niveluri electronice pentru atomii cu mai mult de 1 electron și, astfel, își demonstrează principala slăbiciune. Atunci când sunt prezenți doi electroni, este necesar să se ia în considerare repulsia electronică dintre ei, parametru care poate fi adăugat la înțelegerea matematică propusă de Schrödinger.
Un alt punct important al studiilor lui Schrödinger este adaptarea conceptelor cuantice, cum ar fi dualitatea particulei, precum și o traiectorie exactă pentru un electron. Definiția orbitalului atomic este foarte importantă pentru înțelegerea structura tuturor atomilor. A densitatea de probabilitate (ψ²) ne ajută să înțelegem modul în care electronii ocupă orbitalii atomici în atomi polielectronici, aducând informații mai specifice despre energia electronului.
De Stefano Araujo Novais
Profesor de chimie
Aflați mai multe despre structura atomului și principalele sale particule constitutive: protoni, neutroni și electroni.
Cunoașteți evoluția modelului atomic în istorie.
Faceți clic și aflați despre principalele caracteristici ale modelului atomic al lui Rutherford și despre experimentul care a permis formularea acestuia.
Afla care sunt principalele caracteristici, probleme si din ce aspecte a fost propus modelul atomic al lui Thomson!
Intrați și întâlniți atomul Bohr, care a fost un model atomic bazat pe postulate care au descris cu succes atomul de hidrogen.
