О Шредингеров атомски модел је уобичајен облик који се користи за означавање опис атома решавањем Шредингерове једначине коју је предложио аустријски физичар Ервин Шредингер 1927. године. Једначина је конципирана на основу важних запажања добијених у оквиру квантне механике, доносећи робусно оправдање за енергију атома и електрона.
Атом који је замислио Шредингер заснива се на дуалности талас-честица, на принципу неизвесности, између осталих појмова скован почетком 20. века. То је донело велики напредак у разумевању материје, јер је утрло пут за чвршће разумевање полиелектронских атома, нешто што није могуће са атомским моделом који је предложио Бор.
Прочитајте такође: Атомски модели — модели предложени за објашњење структуре атома
Резиме о Сцхродингеровом атомском моделу
Шредингеров атомски модел је заправо опис атома и електрона кроз Шредингерову једначину.
Шредингерова једначина је развијена кроз важне студије у области квантне механике.
Дуалност талас-честица, принцип несигурности, између осталих теорија, били су од суштинског значаја за стварање Шредингерове једначине.
Решавајући Шредингерову једначину, могуће је описати енергију атома као и енергију електрона.
На основу тумачења Шредингерове једначине може се видети да електрони немају одређена орбита око атома, већ регион вероватноће постојања око атома од њега.
Шредингерове студије проширују разумевање атома које је предложио Бор, јер омогућавају разумевање понашања полиелектронских атома.
Шта је Шредингеров атомски модел?
Сцхродингеров атомски модел је уобичајено име за опис атомског модела заснованог на квантној механици. Главна карактеристика овог модела је математичка интерпретација дуалности талас-честица коју усвајају електрони, више конкретно, замена добро дефинисане путање електрона вероватноћом постојања електрона око језгро.
Такво тумачење је почело кроз рад аустријског научника Ервина Шредингера, 1927. године, након значајног напретка. у разумевању материје у области квантне механике, као што су фотоелектрични ефекат, принцип неизвесности и дуалност талас-честица.
Разумевање Шредингеровог атомског модела није тривијално, јер му се приступа на напреднијим нивоима проучавања хемије.
Експериментална основа за Сцхродингеров атомски модел
Пре студија Ервина Шредингера, дошло је до важних помака у разумевање материје почетком 20. века. Такви експерименти су покренули поље теоријског знања познато као квантна механика, које доноси тумачења о понашању честица близу или испод атомске скале. У овом специфичном универзуму, закони класичне физике, такође познати као Њутнова физика, често се не примењују или нису довољни да објасне одређена понашања.
Само да бисмо стекли идеју, можемо рећи да квантна механика почиње темом познатом као ултраљубичаста катастрофа. Према класичној физици, црно тело (врући објекат), са температуром различитом од нуле, емитује интензивно ултраљубичасто зрачење, поред гама зрачења и рендгенских зрака.
То значи да бисмо ми људи, са температуром од 36-37 °Ц, светлели у мраку (последица усијања). Непотребно је рећи да је ово потпуна глупост, јер да јесте, не би било мрака.
У овом контексту, 1900. Макс Планк је створио концепт колико, преведено као „пакети енергије“, како би се објаснила размена енергије између материје и зрачења. Према његовом тумачењу, тело на ниским температурама (као ми) нема довољно енергије да емитује високофреквентно ултраљубичасто зрачење.
Дакле, тело може да емитује високофреквентно ултраљубичасто зрачење само када добије минималну потребну енергију. У овом стању, размена енергије између материје и околине одвија се кроз пакете енергије зрачења.
Енергетски пакети такође доносе разлику у односу на класичну физику. Када се говори о пакетима енергије, мисли се на енергију која је квантизована, односно специфично је, постоји наметање граница. У Њутновој физици, количина енергије која се размењује између два објекта нема ограничења.
Фотоелектрични ефекат
Да би се теоријама које је предложио Планк пружила чврстина, било је потребно више доказа. У том контексту се појавио фотоелектрични ефекат., који се бави избацивањем електрона из метала кроз упад ултраљубичастог зрачења на његову површину.
Према запажањима ове теорије, електрони се не избацују све док зрачење не достигне фреквенцију одређене вредности, специфичне за сваки метал. Када се достигне ова фреквенција, електрони се одмах избацују, а што је интензивнија фреквенција упадног зрачења, то ће избачени електрон бити бржи.
А објашњење за фотоелектрични ефекат дао је Алберт Ајнштајн. Према Ајнштајну, електромагнетно зрачење (светлост је, на пример, електромагнетно зрачење), које се користи за избацивање електрона, састојало се од честице познате као фотони, и, штавише, сваки фотон би се могао тумачити као пакет енергије. На основу Планкових студија, било је могуће закључити да су фотони ултраљубичастог зрачења енергичнији од фотона видљиве светлости.
Када се сударају са површином метала, фотони (компоненти електромагнетног зрачења) размењују енергију са електронима присутним тамо. Ако је енергија коју апсорбује електрон од судара са фотонима довољно велика, онда ће бити избачена. Да бисте сазнали више о фотоелектричном ефекту, кликните овде.
дуалност талас-честица
Фотоелектрични ефекат је донео чврсту основу да се електромагнетно зрачење састоји од честица (фотона). Међутим, многи други експерименти су показали да се електромагнетно зрачење понаша као талас. Од ових експеримената, најупечатљивији је била дифракција — физички феномен уочен када талас наиђе на препреку или, према другом тумачењу, способност таласа да савладају препреке.
О Таласни карактер светлости познат је од 1801. године, када је енглески физичар Томас Јанг осветлио баријеру са прорезом. Када прође кроз овај прорез, светлост подлеже дифракцији. На сваком прорезу, укључујући и пролазак светлости, чак и дифракцију, она пролази кроз нову дифракцију.
Овако, било је неопходно прихватити ново понашање за електромагнетно зрачење: дуалност талас-честица. Одатле је француски научник Луј де Брољ проширио овај концепт, сугеришући да све честице такође треба схватити као да имају таласно понашање.
Де Брољева хипотеза је добила на снази 1925. године, када су амерички научници Клинтон Дејвиссон и Лестер Гермер је доказао да је сноп електрона способан да се подвргне дифракцији када прође кроз један кристал никла.
Ова перцепција је била од суштинског значаја за долазак до закључка да су теже честице, као што су молекули, такође способне да се подвргну дифракцији и, према томе, показују таласно понашање. Да бисте сазнали више о дуалности талас-честица, кликните овде.
принцип неизвесности
У класичној физици вам је лако одредити путању честице. Међутим, у квантном свету, у коме се честице такође понашају као таласи, њихова путања више није тако прецизна. Ово зато што нема смисла говорити о локацији таласа.
На пример, на гитари, када почупате жицу, талас се шири по целој дужини. Ако честица има исто понашање, не постоји начин да се тачно дефинише њена локација знајући њен линеарни импулс (количина која меша масу и брзину).
Дакле, електрон, који такође има двојни карактер, нема дефинисану орбиту/пут око атомског језгра, како многи верују. Адуалност онда ствара неизвесност о тачном положају честице.
Ова несигурност у дефиницији положаја је занемарљива за веома тешка тела, али је у потпуности значајна за тела атомске величине или субатомски, односно ако знате да се честица налази на одређеном месту, у одређеном тренутку, више нећете знати где ће се налазити у следећем инстант.
Из ове дилеме произашао је принцип неизвесности., коју је установио немачки физичар Вернер Хајзенберг 1927. године. По овом принципу није могуће знати положај и линеарни импулс честице без границе грешке, односно ако је једно својство познато, друго није. Да бисте сазнали више о принципу несигурности, кликните овде.
Особине Шредингеровог атомског модела
Како из дуалног карактера честице више није било могуће дефинисати конкретну путању за њу, аустријски научник Ервин је 1927. Шредингер је ову прецизну путању заменио таласном функцијом, представљен грчким словом пси (ψ), при чему вредности ове функције варирају у зависности од положаја. Пример таласне функције је синусна функција Икс.
Научник Макс Борн је тада направио физичку интерпретацију таласне функције, наводећи да је квадрат функције ψ, односно ψ², био би пропорционалан вероватноћи проналажења честице у регион. Дакле, ψ² се схвата као густина вероватноће проналажења честице у неком региону. Пошто је то густина вероватноће, вредност ψ² се мора помножити са запремином да би се добила права вероватноћа.
Да би израчунао таласну функцију, Шредингер је развио једначину, поједностављено на следећи начин:
Хψ = Еψ
Хψ треба читати као „Хамилтониан од пси“ и описује закривљеност таласне функције. Хамилтонијан је математички оператор, баш као и плус, минус, лог итд. Десна страна нам доноси одговарајућу енергију.
Решење ове једначине нам доноси важан закључак: честице могу имати само дискретне енергијес, односно добро одређене енергије, или квантизоване, а не било какве вредности. Ове специфичне енергетске вредности су познате као нивои енергије. Ово је наметање таласне функције, јер треба да се уклопи у одређено подручје простора. У класичној механици, објекат може имати било коју вредност укупне енергије.
Овако, електрон не може имати никакву енергију, али добро дефинисани нивои енергије. Пошто таласна функција треба да одговара региону простора, запамтите да а електрон је затворен унутар атома преко сила привлачења које има за језгро.
Нивои енергије атома могу се израчунати одговарајућим решавањем Шредингерове једначине. У овом случају, примећује се да резолуција достиже нову једначину, која показује да енергија сваког нивоа у атому зависи од целобројног броја, тзв. н, што потврђује идеју да нивои енергије имају специфичне вредности.
Дакле, додељивање позитивних вредности на н (1, 2, 3...), могуће је израчунати енергију атомских нивоа. Параметар н се сада зове главни квантни број, јер је на крају повезан са сваким атомским нивоом дозвољеним за атом.
До таласне функције електрона се називају атомске орбитале, чији се математички изрази добијају и решавањем Шредингерове једначине. Атомска орбитала представља дистрибуцију електрона у атому, односно област вероватноће постојања електрона у атому. Атомске орбитале могу имати различите облике и енергије, такође добијене Шредингеровом једначином.
За сваки енергетски ниво н (Сећајући се тога н може бити 1, 2, 3...), постоје н поднивоа. У сваком поднивоу постоје орбитале различитих облика. Не постоји ограничење за различите орбитале, али са до сада познатим атомима, хемичари користе само четири од њих, идентификоване словима с, П, д То је ф.
Тако, на пример, на нивоу н = 1, постоји само један подниво, тако да постоји само орбитала с. Сада за ниво н = 2, постоје два поднивоа, орбитале су присутне с То је П.
Напредак Шредингеровог атомског модела у односу на друге атомске моделе
Као што је поменуто, Шредингер није нужно представио модел већ математичку интерпретацију. за уочене појаве које се тичу природе честица. Због тога, њено тумачење постаје сложено, пошто је самој Шредингеровој једначини потребно напредно математичко знање за њено решавање, па чак и за интерпретацију.
Међутим Шредингерове студије донеле су велику робусност да оправдају енергију атома и електрона поклони. На пример, резолуција Шредингерове једначине потврђује Боров атомски модел за атом водоника и друге хидрогеноидне атоме (оне који имају само 1 електрон). Попут Шредингера, Бор је дошао до дозвољених нивоа енергије за атом водоника.
Међутим, Боров атомски модел није у стању да достигне електронске нивое за атоме са више од 1 електрона и на тај начин показује своју главну слабост. Када су присутна два електрона, потребно је размотрити електронско одбијање између њих, параметар који се може додати математичком разумевању које је предложио Шредингер.
Друга важна тачка Шредингерових студија је прилагођавање квантних концепата, као што је дуалност честице, као и тачна путања за електрон. Дефиниција атомске орбитале је веома важна за разумевање структура свих атома. А густина вероватноће (ψ²) нам помаже да разумемо како електрони заузимају атомске орбитале у полиелектронским атомима, доносећи конкретније информације о енергији електрона.
Аутор Стефано Араухо Новаис
наставник хемије
Извор: Бразил школа - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/modelo-atomico-de-schrodinger.htm