O Schrödingers atommodell är en vanlig form som används för att beteckna beskrivning av atomen genom att lösa Schrödinger-ekvationen, föreslog av den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger 1927. Ekvationen är tänkt baserad på viktiga observationer som erhållits inom kvantmekaniken, vilket ger en robust motivering för atomens och elektronens energi.
Atomen som Schrödinger skapade är baserad på våg-partikeldualiteten, på osäkerhetsprincipen, bland andra föreställningar som myntades i början av 1900-talet. Det gav stora framsteg för förståelsen av materia, eftersom det banade väg för en mer solid förståelse av polyelektroniska atomer, något som inte är möjligt med den atommodell som Bohr föreslagit.
Läs också: Atommodeller — de modeller som föreslås för att förklara atomens struktur
Sammanfattning om Schrödingers atommodell
Schrödingers atommodell är egentligen beskrivningen av atomen och elektronerna genom Schrödingers ekvation.
Schrödinger-ekvationen utvecklades genom viktiga studier inom området kvantmekanik.
Våg-partikeldualiteten, osäkerhetsprincipen, bland andra teorier, var väsentliga för skapandet av Schrödinger-ekvationen.
Genom att lösa Schrödinger-ekvationen är det möjligt att beskriva atomens energi såväl som elektronens.
Baserat på tolkningen av Schrödinger-ekvationen kan man se att elektroner inte har en bestämd bana runt atomen, utan snarare ett område med sannolikhet för existens runt från honom.
Schrödingers studier utökar förståelse av atomen som föreslagits av Bohr, eftersom de tillåter en förståelse av beteendet hos polyelektroniska atomer.
Vad är Schrödingers atommodell?
Schrödinger-atommodellen är ett vanligt namn för beskrivning av en atommodell baserad på kvantmekanik. Det huvudsakliga kännetecknet för denna modell är den matematiska tolkningen av våg-partikeldualiteten som antas av elektroner, mer specifikt ersättandet av en väldefinierad bana för elektronen med sannolikheten för att elektronen existerar runt kärna.
En sådan tolkning började genom den österrikiske vetenskapsmannen Erwin Schrödinger 1927, efter viktiga framsteg att förstå materia inom området kvantmekanik, såsom den fotoelektriska effekten, osäkerhetsprincipen och dualitet våg-partikel.
Förståelsen av Schrödingers atommodell är inte trivial, eftersom den närmar sig på mer avancerade nivåer av studiet av kemi.
Experimentell grund för Schrödingers atommodell
Innan studierna av Erwin Schrödinger gjordes viktiga framsteg inom förståelse för materia i början av 1900-talet. Sådana experiment initierade det teoretiska kunskapsområdet som kallas kvantmekanik, vilket ger tolkningar av partiklars beteende nära eller under atomskalan. I detta specifika universum är lagarna för klassisk fysik, även känd som newtonsk fysik, ofta inte tillämpliga eller är inte tillräckliga för att förklara vissa beteenden.
Bara för att få en uppfattning kan vi säga att kvantmekaniken börjar med ett ämne som kallas den ultravioletta katastrofen. Enligt klassisk fysik avger en svart kropp (hett föremål), med en temperatur som skiljer sig från noll, intensiv ultraviolett strålning, förutom gammastrålning och röntgenstrålar.
Det betyder att vi människor, med vår temperatur på 36-37 °C, skulle lysa i mörkret (konsekvens av glödlampa). Det behöver inte sägas att detta är fullständigt nonsens, för om det vore så skulle det inte finnas något mörker.
I detta sammanhang, År 1900 skapade Max Planck konceptet hur mycket, översatt som "paket av energi", för att förklara utbytet av energi mellan materia och strålning. Enligt hans tolkning har en kropp vid låga temperaturer (som vi) inte tillräckligt med energi för att avge högfrekvent ultraviolett strålning.
Således kan en kropp endast avge högfrekvent ultraviolett strålning när den får den minsta nödvändiga energin. I detta tillstånd sker utbytet av energi mellan materia och omgivning genom paket av strålningsenergi.
Energipaket gör också skillnad i förhållande till klassisk fysik. När man talar om energipaket avser det energi som är kvantifierad, det vill säga det är specifikt, det finns ett påläggande av gränser. I newtonsk fysik har mängden energi som utbyts mellan två objekt inga begränsningar.
Fotoelektrisk effekt
För att ge robusthet åt teorierna som föreslagits av Planck behövdes mer bevis. I detta sammanhang dök den fotoelektriska effekten upp., som handlar om utstötning av elektroner från en metall genom incidensen av ultraviolett strålning på dess yta.
Enligt observationerna av denna teori skjuts inga elektroner ut förrän strålningen når en frekvens av ett visst värde, specifikt för varje metall. När denna frekvens väl har nåtts skjuts elektronerna ut omedelbart, och ju intensivare frekvensen av den infallande strålningen är, desto snabbare kommer den utstötta elektronen att ha.
A förklaringen till den fotoelektriska effekten gavs av Albert Einstein. Enligt Einstein bestod elektromagnetisk strålning (ljus är t.ex. elektromagnetisk strålning), som användes för utstötning av elektroner, av partiklar som kallas fotoner, och dessutom kan varje foton tolkas som ett energipaket. Baserat på Plancks studier var det möjligt att dra slutsatsen att fotoner av ultraviolett strålning är mer energiska än fotoner av synligt ljus.
När de kolliderar med metallens yta utbyter fotonerna (beståndsdelar av elektromagnetisk strålning) energi med elektronerna som finns där. Om energin som absorberas av elektronen från att kollidera med fotonerna är tillräckligt stor, kommer den att kastas ut. För att lära dig mer om den fotoelektriska effekten, klicka här.
våg-partikel dualitet
Den fotoelektriska effekten gav en stark grund att elektromagnetisk strålning består av partiklar (fotoner). Men många andra experiment visade att elektromagnetisk strålning betedde sig som en våg. Av dessa experiment var det mest slående diffraktion – det fysiska fenomen som observeras när en våg stöter på ett hinder eller, med en annan tolkning, vågornas förmåga att övervinna hinder.
O Ljusets vågkaraktär har varit känd sedan 1801, när den engelske fysikern Thomas Young lyste mot en barriär med en slits. När det passerar genom denna slits genomgår ljus diffraktion. Vid varje slits, inklusive, som ljuset passerar, även diffrakterat, genomgår det en ny diffraktion.
Så här, det var nödvändigt att acceptera ett nytt beteende för elektromagnetisk strålning: våg-partikeldualiteten. Därifrån utökade den franske vetenskapsmannen Louis de Broglie detta koncept och antydde att alla partiklar också skulle förstås som att de har vågbeteende.
De Broglie-hypotesen fick styrka 1925, när de amerikanska forskarna Clinton Davisson och Lester Germer bevisade att en elektronstråle var kapabel att genomgå diffraktion när den passerade genom en enda kristall av nickel.
Denna uppfattning var väsentlig för att komma fram till slutsatsen att tyngre partiklar, såsom molekyler, också var kapabla att genomgå diffraktion och därför uppvisa vågliknande beteende. För att lära dig mer om våg-partikeldualitet, klicka här.
osäkerhetsprincipen
I klassisk fysik är det lätt för dig att bestämma en partikels bana. Men i kvantvärlden, där partiklar också beter sig som vågor, är deras bana inte längre så exakt. Detta för att det är ingen mening att prata om platsen för en våg.
Till exempel, på en gitarr, när du plockar en sträng, sprider sig vågen över hela dess längd. Om en partikel har samma beteende, finns det inget sätt att definiera sin plats exakt, ens känna till dess linjära momentum (mängd som blandar massa och hastighet).
Därför har elektronen, som också har en dubbel karaktär, ingen definierad bana/bana runt atomkärnan, som många tror. Adualitet skapar då osäkerhet om partikelns exakta position.
Denna osäkerhet i definitionen av position är försumbar för mycket tunga kroppar, men helt signifikant för kroppar av atomstorlek eller subatomär, det vill säga om du vet att partikeln är på en viss plats, vid ett visst ögonblick, kommer du inte längre att veta var den kommer att vara i nästa omedelbar.
Ur detta dilemma uppstod osäkerhetsprincipen., etablerad av den tyske fysikern Werner Heisenberg 1927. Enligt denna princip är det inte möjligt att känna till en partikels position och linjära rörelsemängd utan felmarginal, det vill säga om en egenskap är känd är den andra inte det. För att lära dig mer om osäkerhetsprincipen, klicka här.
Funktioner i Schrödingers atommodell
Eftersom partikelns dubbla karaktär inte längre var möjligt att definiera en specifik bana för den, 1927, den österrikiske vetenskapsmannen Erwin Schrödinger ersatte denna exakta bana med en vågfunktion, representerad av den grekiska bokstaven psi (ψ), med värdena för denna funktion varierande beroende på positionen. Ett exempel på en vågfunktion är sinusfunktionen av x.
Forskaren Max Born skapade sedan en fysisk tolkning för vågfunktionen, och påstod att kvadraten på funktionen ψ, det vill säga ψ², skulle vara proportionell mot sannolikheten att hitta en partikel i en område. Således förstås ψ² som sannolikhetstätheten för att hitta en partikel i någon region. Eftersom det är en sannolikhetstäthet måste värdet på ψ² multipliceras med volymen för att erhålla den sanna sannolikheten.
För att beräkna vågfunktionen utvecklade Schrödinger en ekvation, förenklat enligt följande:
Hψ = Eψ
Hψ ska läsas som "psi hamiltonian", och den beskriver vågfunktionens krökning. Hamiltonian är en matematisk operator, precis som plus, minus, log, etc. Den högra sidan ger oss motsvarande energi.
Lösningen av denna ekvation ger oss en viktig slutsats: partiklar kan bara ha diskreta energiers, det vill säga välbestämda energier, eller kvantiserade, och inte något värde. Dessa specifika energivärden kallas energinivåer. Detta är en påläggning av vågfunktionen, eftersom den måste passa i ett specifikt område av rymden. I klassisk mekanik kan ett objekt ha vilket värde som helst av total energi.
Så här, en elektron kan inte ha någon energi, men väldefinierade energinivåer. Eftersom vågfunktionen måste passa ett område i rymden, kom ihåg att a elektronen är instängd i en atom genom de attraktionskrafter som den har för kärnan.
Energinivåerna för en atom kan beräknas genom att på lämpligt sätt lösa Schrödinger-ekvationen. I det här fallet märks det att upplösningen når en ny ekvation, som visar att energin för varje nivå i atomen beror på ett heltal, som kallas n, vilket bekräftar tanken att energinivåer har specifika värden.
Således tilldela positiva värden till n (1, 2, 3...), är det möjligt att beräkna energin för atomnivåerna. Parametern n kallas nu det huvudsakliga kvanttalet, eftersom det hamnar kopplat till varje atomnivå som tillåts för en atom.
Till elektronvågsfunktioner kallas atomära orbitaler, vars matematiska uttryck också erhålls genom att lösa Schrödinger-ekvationen. En atomomloppsbana presenterar fördelningen av elektronen i en atom, det vill säga regionen med sannolikhet för existensen av en elektron i en atom. Atomorbitaler kan ha olika former och energier, även erhållna av Schrödinger-ekvationen.
För varje energinivå n (Kommer ihåg det n kan vara 1, 2, 3...), det finns n undernivåer. I varje undernivå finns orbitaler av olika former. Det finns ingen gräns för de olika orbitalerna, men med de hittills kända atomerna använder kemister bara fyra av dem, identifierade med bokstäverna s, P, d Det är f.
Så till exempel på nivån n = 1, det finns bara en undernivå, så det finns bara orbitalen s. Nu till nivån n = 2, det finns två undernivåer, där orbitalerna är närvarande s Det är P.
Framsteg av Schrödingers atommodell i förhållande till andra atommodeller
Såsom nämnts, Schrödinger presenterade inte nödvändigtvis en modell utan en matematisk tolkning. för observerade fenomen rörande partiklarnas natur. Därför blir dess tolkning komplex, eftersom Schrödinger-ekvationen själv behöver avancerad matematisk kunskap för sin upplösning och till och med för sin tolkning.
Men den Schrödingers studier gav stor robusthet för att motivera energin hos atomer och elektroner gåvor. Till exempel bekräftar upplösningen av Schrödinger-ekvationen Bohrs atommodell för väteatomen och andra väteatomer (de som bara har 1 elektron). Precis som Schrödinger kom Bohr fram till de tillåtna energinivåerna för väteatomen.
Bohrs atommodell kan dock inte nå elektroniska nivåer för atomer med mer än 1 elektron och visar därmed sin huvudsakliga svaghet. När två elektroner är närvarande är det nödvändigt att överväga den elektroniska repulsionen mellan dem, en parameter som kan läggas till den matematiska förståelsen som Schrödinger föreslagit.
En annan viktig punkt i Schrödingers studier är anpassningen av kvantbegrepp, såsom partikelns dualitet, samt en exakt bana för en elektron. Definitionen av atomorbital är mycket viktig för att förstå strukturen hos alla atomer. A sannolikhetstäthet (ψ²) hjälper oss att förstå hur elektroner upptar atomära orbitaler i polyelektroniska atomer, vilket ger mer specifik information om elektronens energi.
Av Stefano Araujo Novais
Kemilärare
Källa: Brasilien skola - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/modelo-atomico-de-schrodinger.htm
