О Атомная модель Шредингера является распространенной формой, используемой для обозначения описание атома путем решения уравнения Шрёдингера, предложенного австрийским физиком Эрвином Шрёдингером в 1927 году. Уравнение задумано на основе важных наблюдений, полученных в рамках квантовой механики, что дает надежное обоснование энергии атома и электрона.
Атом, задуманный Шредингером, основан на корпускулярно-волновом дуализме, на принципе неопределенности, среди других понятий, придуманных в начале 20-го века. Это принесло большие успехи в понимание материи, поскольку проложило путь к более глубокому пониманию полиэлектронных атомов, что невозможно с атомной моделью, предложенной Бором.
Читать тоже: Атомные модели - модели, предложенные для объяснения строения атома.
Темы этой статьи
- 1 - Краткое изложение атомной модели Шредингера.
- 2 - Что представляет собой атомная модель Шрёдингера?
-
3 - Экспериментальная основа атомной модели Шредингера.
- Фотоэлектрический эффект
- корпускулярно-волновой дуализм
- принцип неопределенности
- 4 - Характеристики атомной модели Шрёдингера
- 5 - Успехи атомной модели Шредингера по сравнению с другими атомными моделями.
Резюме об атомной модели Шредингера
Атомная модель Шредингера на самом деле представляет собой описание атома и электронов с помощью уравнения Шредингера.
Уравнение Шредингера было разработано благодаря важным исследованиям в области квантовой механики.
Корпускулярно-волновой дуализм, принцип неопределенности и другие теории сыграли важную роль в создании уравнения Шрёдингера.
Решая уравнение Шредингера, можно описать энергию атома так же, как и энергию электрона.
На основании интерпретации уравнения Шрёдингера видно, что электроны не имеют определенная орбита вокруг атома, а скорее область вероятности существования вокруг от него.
Исследования Шрёдингера расширяют понимание атома, предложенное Бором, поскольку они позволяют понять поведение полиэлектронных атомов.
Какова модель атома Шрёдингера?
Атомная модель Шредингера — это общее название описание модели атома на основе квантовой механики. Главной характеристикой этой модели является математическая интерпретация корпускулярно-волнового дуализма, принятая электронами, более в частности, замена вполне определенной траектории электрона вероятностью существования электрона вокруг основной.
Такая интерпретация началась благодаря работе австрийского ученого Эрвина Шредингера в 1927 году, после важных достижений. в понимании материи в области квантовой механики, таких как фотоэлектрический эффект, принцип неопределенности и двойственность волна-частица.
Понимание атомной модели Шредингера не является тривиальным, поскольку к нему подходят на более продвинутых уровнях изучения химии.
Не останавливайся сейчас... После рекламы будет больше ;)
Экспериментальная основа атомной модели Шрёдингера
До исследований Эрвина Шрёдингера в понимание материи в начале 20 века. Такие эксперименты положили начало области теоретических знаний, известной как квантовая механика, которая дает интерпретации поведения частиц, близкие или ниже атомного масштаба. В этой конкретной вселенной законы классической физики, также известной как ньютоновская физика, часто неприменимы или недостаточны для объяснения определенного поведения.
Чтобы получить представление, можно сказать, что квантовая механика начинается с темы, известной как ультрафиолетовая катастрофа. Согласно классической физике, черное тело (горячий объект) с температурой, отличной от нуля, помимо гамма-излучения и рентгеновских лучей излучает интенсивное ультрафиолетовое излучение.
Это означает, что мы, люди, с нашей температурой 36-37°C будем светиться в темноте (последствие накаливания). Излишне говорить, что это полная ерунда, ибо если бы это было так, то не было бы тьмы.
В данном контексте, В 1900 году Макс Планк создал концепцию сколько?, переводится как «пакеты энергии», чтобы объяснить обмен энергией между веществом и излучением. Согласно его интерпретации, тело при низких температурах (как и мы) не имеет достаточно энергии, чтобы излучать высокочастотное ультрафиолетовое излучение.
Таким образом, тело может излучать высокочастотное ультрафиолетовое излучение только тогда, когда оно приобретает минимально необходимую энергию. В этом состоянии обмен энергией между веществом и окружающей средой происходит посредством пакетов энергии излучения.
Энергетические пакеты также вносят отличие в классическую физику. Когда говорят о пакетах энергии, это относится к энергии, которая квантуется, то есть конкретно, есть наложение лимитов. В ньютоновской физике количество энергии, которой обмениваются два объекта, не имеет ограничений.
Фотоэлектрический эффект
Чтобы придать устойчивость теориям, предложенным Планком, требовалось больше доказательств. В связи с этим появился фотоэффект., который имеет дело с выбросом электронов из металла при падении ультрафиолетового излучения на его поверхность.
Согласно наблюдениям этой теории, выброс электронов не происходит до тех пор, пока излучение не достигнет частоты определенного значения, характерного для каждого металла. Как только эта частота достигнута, электроны немедленно выбрасываются, и чем интенсивнее частота падающего излучения, тем быстрее будет вылетевший электрон.
А объяснение фотоэффекта дал Альберт Эйнштейн. Согласно Эйнштейну, электромагнитное излучение (свет, например, является электромагнитным излучением), используемое для выброса электронов, состоит из частицы, известные как фотоны, и, кроме того, каждый фотон можно интерпретировать как пакет энергии. На основании исследований Планка удалось сделать вывод, что фотоны ультрафиолетового излучения обладают большей энергией, чем фотоны видимого света.
При столкновении с поверхностью металла фотоны (составляющие электромагнитного излучения) обмениваются энергией с присутствующими там электронами. Если энергия, поглощенная электроном при столкновении с фотонами, достаточно велика, то он будет выброшен. Чтобы узнать больше о фотоэффекте, нажмите здесь.
корпускулярно-волновой дуализм
Фотоэлектрический эффект привел к тому, что электромагнитное излучение состоит из частиц (фотонов). Однако многие другие эксперименты показали, что электромагнитное излучение ведет себя как волна. Из этих экспериментов наиболее поразительным была дифракция — физическое явление, наблюдаемое, когда волна сталкивается с препятствием, или, по другой интерпретации, дифракция. способность волн преодолевать препятствия.
О Волновой характер света известен с 1801 г., когда английский физик Томас Юнг осветил барьер с щелью. Проходя через эту щель, свет претерпевает дифракцию. На каждой щели, в том числе и на той, что проходит свет, даже дифрагировав, он претерпевает новую дифракцию.
Так, необходимо было принять новое поведение для электромагнитного излучения: корпускулярно-волновой дуализм. Отсюда французский ученый Луи де Бройль расширил эту концепцию, предположив, что все частицы также следует понимать как обладающие волновым поведением.
Гипотеза де Бройля набрала силу в 1925 году, когда американские ученые Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер доказал, что электронный пучок способен претерпевать дифракцию при прохождении через монокристалл из никель.
Это понимание было важно для того, чтобы прийти к выводу, что более тяжелые частицы, такие как молекулы, также способны претерпевать дифракцию и, следовательно, проявлять волнообразное поведение. Чтобы узнать больше о корпускулярно-волновом дуализме, нажмите здесь.
принцип неопределенности
В классической физике легко определить путь частицы. Однако в квантовом мире, где частицы тоже ведут себя как волны, их траектория уже не так точна. Это потому что нет смысла говорить о местонахождении волны.
Например, на гитаре, когда вы дергаете струну, волна распространяется по всей ее длине. Если частица ведет себя так же, то невозможно точно определить ее местоположение, даже зная его импульс (количество, которое смешивает массу и скорость).
Следовательно, электрон, который также имеет двойственный характер, не имеет определенной орбиты/траектории вокруг ядра атома, как многие считают. Атогда двойственность создает неопределенность в отношении точного положения частицы.
Эта неопределенность в определении положения незначительна для очень тяжелых тел, но вполне существенна для тел размером с атом или субатомный, то есть если вы знаете, что частица находится в определенном месте, в определенный момент, вы уже не будете знать, где она будет в следующий мгновенный.
Из этой дилеммы возник принцип неопределенности., установленная немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1927 году. В соответствии с этим принципом невозможно без погрешности узнать положение и линейный импульс частицы, то есть если одно свойство известно, то другое нет. Чтобы узнать больше о принципе неопределенности, нажмите здесь.
Особенности атомной модели Шрёдингера
Поскольку из-за двойственного характера частицы уже нельзя было определить для нее конкретную траекторию, в 1927 г. австрийский ученый Эрвин Шредингер заменил эту точную траекторию волновой функцией, представленный греческой буквой psi (ψ), причем значения этой функции варьируются в зависимости от положения. Примером волновой функции является синусоидальная функция Икс.
Затем ученый Макс Борн создал физическую интерпретацию волновой функции, заявив, что квадрат функции ψ, то есть ψ², был бы пропорционален вероятности нахождения частицы в область, край. Таким образом, под ψ² понимается плотность вероятности нахождения частицы в некоторой области. Поскольку это плотность вероятности, значение ψ² необходимо умножить на объем, чтобы получить истинную вероятность.
Для вычисления волновой функции Шредингер разработал уравнение, упрощенно следующим образом:
Hψ = Eψ
Hψ следует читать как «гамильтониан пси» и описывает кривизну волновой функции. Гамильтониан — это математический оператор, такой же, как плюс, минус, логарифм и т. д. Правая сторона приносит нам соответствующую энергию.
Решение этого уравнения приводит нас к важному выводу: частицы могут иметь только дискретные энергиис, то есть вполне определенные энергии, или квантованные, а не какие-либо значения. Эти конкретные значения энергии известны как энергетические уровни. Это наложение волновой функции, поскольку она должна соответствовать определенной области пространства. В классической механике объект может иметь любое значение полной энергии.
Так, электрон не может иметь никакой энергии, но четко определенные энергетические уровни. Поскольку волновая функция должна соответствовать области пространства, помните, что электрон заключен внутри атома через силы притяжения, которыми оно обладает для ядра.
Энергетические уровни атома могут быть рассчитаны путем соответствующего решения уравнения Шрёдингера. В этом случае замечено, что разрешение достигает нового уравнения, которое демонстрирует, что энергия каждого уровня в атоме зависит от целого числа, называемого н, что подтверждает идею о том, что энергетические уровни имеют определенные значения.
Таким образом, присваивая положительные значения н (1, 2, 3...), можно вычислить энергию атомных уровней. Параметр н теперь называется главным квантовым числом, поскольку оно в конечном итоге связано с каждым атомным уровнем, разрешенным для атома.
К волновые функции электрона называются атомными орбиталями, математические выражения которого также получаются путем решения уравнения Шредингера. Атомная орбиталь представляет собой распределение электрона в атоме, т. е. область вероятности существования электрона в атоме. Атомные орбитали могут иметь различную форму и энергию, что также определяется уравнением Шредингера.
Для каждого уровня энергии н (Вспоминая, что н может быть 1, 2, 3...), есть н подуровни. На каждом подуровне есть орбитали разной формы. Для разных орбиталей нет предела, но из известных до сих пор атомов химики используют только четыре из них, обозначаемые буквами с, п, г Это ф.
Так, например, на уровне н = 1, есть только один подуровень, поэтому есть только орбитальный с. Теперь об уровне н = 2, есть два подуровня, присутствуют орбитали с Это п.
Преимущества атомной модели Шредингера по сравнению с другими атомными моделями
Как уже упоминалось, Шредингер представил не обязательно модель, а математическую интерпретацию. для наблюдаемых явлений, касающихся природы частиц. Поэтому его интерпретация становится сложной, поскольку само уравнение Шредингера требует передовых математических знаний для своего решения и даже для его интерпретации.
Однако Исследования Шредингера принесли большую надежность для обоснования энергии атомов и электронов. дары. Например, решение уравнения Шрёдингера подтверждает атомную модель Бора для атома водорода и других гидрогеноидных атомов (тех, которые имеют только 1 электрон). Как и Шредингер, Бор пришел к допустимым уровням энергии для атома водорода.
Однако атомная модель Бора не способна достичь электронных уровней для атомов с более чем 1 электроном и, таким образом, демонстрирует свою основную слабость. Когда присутствуют два электрона, необходимо учитывать электронное отталкивание между ними, параметр, который можно добавить к математическому пониманию, предложенному Шредингером.
Еще одним важным моментом исследований Шредингера является адаптация квантовых представлений, таких как двойственность частицы, а также точная траектория электрона. Определение атомной орбитали очень важно для понимания строение всех атомов. А Плотность вероятности (ψ²) помогает нам понять, как электроны занимают атомные орбитали. в полиэлектронных атомах, принося более конкретную информацию об энергии электрона.
Стефано Араужо Новаис
Учитель химии
Узнайте больше о структуре атома и его основных составляющих частиц: протонов, нейтронов и электронов.
Знать эволюцию атомной модели в истории.
Нажмите и узнайте об основных особенностях атомной модели Резерфорда и эксперименте, который позволил ее сформулировать.
Узнайте, каковы основные характеристики, проблемы и из каких аспектов была предложена атомная модель Томсона!
Войдите и познакомьтесь с атомом Бора, моделью атома, основанной на постулатах, успешно описывающих атом водорода.
