О Атомна модель Шредінгера це загальна форма, яка використовується для позначення опис атома шляхом вирішення рівняння Шредінгера, запропонованого австрійським фізиком Ервіном Шредінгером у 1927 році. Рівняння розроблено на основі важливих спостережень, отриманих у рамках квантової механіки, що забезпечує надійне обґрунтування енергії атома та електрона.
Атом, задуманий Шредінгером, базується на дуалізмі хвиля-частинка, на принципі невизначеності, серед інших понять, введених на початку 20 століття. Це принесло великий прогрес у розумінні матерії, оскільки проклало шлях до більш глибокого розуміння поліелектронних атомів, чого неможливо з атомною моделлю, запропонованою Бором.
Читайте також: Атомні моделі — моделі, запропоновані для пояснення будови атома
Короткий зміст моделі атома Шредінгера
Атомна модель Шредінгера насправді є описом атома та електронів за допомогою рівняння Шредінгера.
Рівняння Шредінгера було розроблено завдяки важливим дослідженням у галузі квантової механіки.
Частково-хвильовий дуалізм, принцип невизначеності, серед інших теорій, були істотними для створення рівняння Шредінгера.
Розв’язуючи рівняння Шредінгера, можна описати енергію атома так само, як і енергію електрона.
Виходячи з інтерпретації рівняння Шредінгера, можна побачити, що електрони не мають певна орбіта навколо атома, а радше область ймовірності існування навколо від нього.
Дослідження Шредінгера розширюють розуміння атома, запропоноване Бором, оскільки вони дозволяють зрозуміти поведінку поліелектронних атомів.
Що таке атомна модель Шредінгера?
Атомна модель Шредінгера є загальною назвою для опис моделі атома на основі квантової механіки. Основною характеристикою цієї моделі є математична інтерпретація частинково-хвильової подвійності, прийнятої електронами, більше зокрема, заміна чітко визначеної траєкторії електрона ймовірністю існування електрона навколо ядро.
Таке тлумачення почалося завдяки роботі австрійського вченого Ервіна Шредінгера в 1927 році після важливих досягнень. у розумінні матерії в галузі квантової механіки, такої як фотоелектричний ефект, принцип невизначеності та подвійність хвиля-частинка.
Розуміння атомної моделі Шредінгера не є тривіальним, до нього підходять на більш просунутих рівнях вивчення хімії.
Експериментальна основа моделі атома Шредінгера
До досліджень Ервіна Шредінгера були важливі досягнення в галузі розуміння матерії на початку 20 ст. Такі експерименти започаткували галузь теоретичних знань, відому як квантова механіка, яка дає інтерпретації поведінки частинок, близьких або нижчих за атомний масштаб. У цьому конкретному Всесвіті закони класичної фізики, також відомої як фізика Ньютона, часто не застосовуються або недостатні для пояснення певної поведінки.
Щоб отримати уявлення, можна сказати, що квантова механіка починається з теми, відомої як ультрафіолетова катастрофа. Відповідно до класичної фізики, чорне тіло (гарячий об'єкт) з температурою, відмінною від нуля, випромінює інтенсивне ультрафіолетове випромінювання, крім гамма-випромінювання та рентгенівського випромінювання.
Це означає, що ми, люди, з нашою температурою 36-37 °C будемо світитися в темряві (наслідок розжарювання). Зайве говорити, що це повна нісенітниця, бо якби це було так, то не було б темряви.
В цьому контексті, У 1900 році Макс Планк створив концепцію скільки, що перекладається як «пакети енергії», щоб пояснити обмін енергією між речовиною та випромінюванням. Згідно з його інтерпретацією, тіло при низьких температурах (як і ми) не має достатньо енергії для випромінювання високочастотного ультрафіолетового випромінювання.
Таким чином, тіло може випромінювати високочастотне ультрафіолетове випромінювання лише тоді, коли воно набуває мінімально необхідної енергії. У цьому стані обмін енергією між речовиною та навколишнім середовищем відбувається через пакети енергії випромінювання.
Енергетичні пакети також відрізняються від класичної фізики. Говорячи про пакети енергії, це стосується квантованої енергії, тобто є специфічним, є накладення меж. У фізиці Ньютона кількість енергії, якою обмінюються два об’єкти, не має обмежень.
Фотоелектричний ефект
Щоб надати надійності теоріям, запропонованим Планком, потрібні були додаткові докази. У цьому контексті з'явився фотоефект., який має справу з викидом електронів з металу через падіння ультрафіолетового випромінювання на його поверхню.
Згідно зі спостереженнями цієї теорії, електрони не викидаються, доки випромінювання не досягне частоти певного значення, специфічного для кожного металу. Як тільки ця частота досягається, електрони негайно викидаються, і чим інтенсивніше частота падаючого випромінювання, тим швидше буде викинутий електрон.
А пояснення фотоефекту дав Альберт Ейнштейн. Згідно з Ейнштейном, електромагнітне випромінювання (світло, наприклад, електромагнітне випромінювання), що використовується для викиду електронів, складалося з частинки, відомі як фотони, і, крім того, кожен фотон можна інтерпретувати як пакет енергії. На підставі досліджень Планка можна було зробити висновок, що фотони ультрафіолетового випромінювання є більш енергійними, ніж фотони видимого світла.
При зіткненні з поверхнею металу фотони (складові електромагнітного випромінювання) обмінюються енергією з присутніми там електронами. Якщо енергія, поглинена електроном від зіткнення з фотонами, достатньо велика, тоді він буде викинутий. Щоб дізнатися більше про фотоефект, натисніть тут.
частинково-хвильовий дуалізм
Фотоелектричний ефект дав міцну основу того, що електромагнітне випромінювання складається з частинок (фотонів). Однак багато інших експериментів показали, що електромагнітне випромінювання поводиться як хвиля. З цих експериментів найбільш вражаючою була дифракція — фізичне явище, яке спостерігається, коли хвиля стикається з перешкодою або, за іншою інтерпретацією, здатність хвиль долати перешкоди.
О Хвильовий характер світла відомий з 1801 року, коли англійський фізик Томас Янг освітлив бар’єр із щілиною. Проходячи через цю щілину, світло зазнає дифракції. У кожній щілині, в тому числі, через яку світло проходить, навіть дифрагуючи, воно зазнає нової дифракції.
Подобається це, необхідно було прийняти нову поведінку електромагнітного випромінювання: частинково-хвильовий дуалізм. Звідти французький вчений Луї де Бройль розширив цю концепцію, припустивши, що всі частинки також слід розуміти як такі, що мають хвильову поведінку.
Гіпотеза де Бройля набула сили в 1925 році, коли американські вчені Клінтон Девіссон і Лестер Гермер довів, що електронний промінь здатний зазнавати дифракції при проходженні через монокристал нікель.
Це сприйняття було важливим для висновку, що більш важкі частинки, такі як молекули, також здатні зазнавати дифракції і, отже, демонструвати хвилеподібну поведінку. Щоб дізнатися більше про подвійність хвиля-частинка, натисніть тут.
принцип невизначеності
У класичній фізиці вам легко визначити траєкторію частинки. Однак у квантовому світі, в якому частинки також поводяться як хвилі, їхня траєкторія вже не така точна. Це тому що немає сенсу говорити про розташування хвилі.
Наприклад, на гітарі, коли ви перебираєте струну, хвиля розтікається по всій її довжині. Якщо частинка має таку саму поведінку, неможливо навіть точно визначити її розташування знаючи його лінійний імпульс (кількість, яка поєднує масу та швидкість).
Тому електрон, який також має подвійний характер, не має визначеної орбіти/шляху навколо атомного ядра, як багато хто вважає. Аподвійність створює невизначеність щодо точного положення частинки.
Ця невизначеність у визначенні положення незначна для дуже важких тіл, але цілком суттєва для тіл атомного розміру або субатомний, тобто якщо ви знаєте, що частинка знаходиться в певному місці, в певний момент, ви більше не будете знати, де вона буде в наступний миттєвий.
З цієї дилеми виник принцип невизначеності., встановлений німецьким фізиком Вернером Гейзенбергом у 1927 році. Відповідно до цього принципу неможливо дізнатися положення та лінійний імпульс частинки без похибки, тобто якщо одна властивість відома, інша – ні. Щоб дізнатися більше про принцип невизначеності, натисніть тут.
Особливості моделі атома Шредінгера
Оскільки через подвійний характер частинки вже було неможливо визначити конкретну траєкторію для неї, у 1927 році австрійський вчений Ервін Шредінгер замінив цю точну траєкторію хвильовою функцією, що позначається грецькою літерою psi (ψ), при цьому значення цієї функції змінюються залежно від положення. Прикладом хвильової функції є функція синуса x.
Тоді вчений Макс Борн створив фізичну інтерпретацію хвильової функції, заявивши, що квадрат функції ψ, тобто ψ², буде пропорційний ймовірності знайти частинку в область. Таким чином, ψ² розуміється як щільність ймовірності знаходження частинки в деякій області. Оскільки це щільність ймовірності, значення ψ² потрібно помножити на об’єм, щоб отримати справжню ймовірність.
Для обчислення хвильової функції Шредінгер розробив рівняння, спрощено таким чином:
Hψ = Eψ
Hψ слід читати як «Гамільтоніан фунтів на квадратний дюйм» і описує кривизну хвильової функції. Гамільтоніан — це математичний оператор, як і плюс, мінус, логарифм тощо. Права сторона приносить нам відповідну енергію.
Розв’язок цього рівняння приводить до важливого висновку: частинки можуть мати лише дискретну енергіюs, тобто чітко визначені енергії, або квантовані, а не будь-яке значення. Ці конкретні значення енергії відомі як рівні енергії. Це накладення хвильової функції, оскільки вона повинна відповідати певній області простору. У класичній механіці об'єкт може мати будь-яке значення повної енергії.
Подобається це, електрон не може мати ніякої енергії, але чітко визначені рівні енергії. Оскільки хвильова функція повинна відповідати області простору, пам’ятайте, що a електрон утримується всередині атома через сили притягання, які воно має для ядра.
Енергетичні рівні атома можна обчислити, відповідним чином розв’язавши рівняння Шредінгера. У цьому випадку помічено, що роздільна здатність досягає нового рівняння, яке демонструє, що енергія кожного рівня в атомі залежить від цілого числа, яке називається п, що підтверджує ідею, що рівні енергії мають певні значення.
Таким чином, присвоюючи позитивні значення п (1, 2, 3...), можна розрахувати енергію атомних рівнів. Параметр п тепер називається головним квантовим числом, оскільки воно пов’язане з кожним атомним рівнем, дозволеним для атома.
До електронні хвильові функції називаються атомними орбіталями, математичні вирази якого також отримані розв’язуванням рівняння Шредінгера. Атомна орбіталь представляє розподіл електрона в атомі, тобто область ймовірності існування електрона в атомі. Атомні орбіталі можуть мати різну форму та енергію, також отриману за допомогою рівняння Шредінгера.
Для будь-якого рівня енергії п (Пам'ятаючи це п може бути 1, 2, 3...), є п підрівні. На кожному підрівні є орбіталі різної форми. Немає обмежень для різних орбіталей, але з відомих досі атомів хіміки використовують лише чотири з них, позначених літерами с, П, d Це є f.
Так, наприклад, на рівні п = 1, є тільки один підрівень, тому є тільки орбіталь с. Тепер про рівень п = 2, є два підрівні, присутні орбіталі с Це є П.
Прогрес атомної моделі Шредінгера по відношенню до інших атомних моделей
Як вже згадувалось, Шредінгер не обов’язково представляв модель, а математичну інтерпретацію. для спостережуваних явищ, що стосуються природи частинок. Таким чином, його інтерпретація стає складною, оскільки саме рівняння Шредінгера потребує передових математичних знань для його вирішення та навіть для його інтерпретації.
Однак, Дослідження Шредінгера принесли велику надійність, щоб виправдати енергію атомів і електронів подарунки. Наприклад, роздільна здатність рівняння Шредінгера підтверджує атомну модель Бора для атома водню та інших гідрогеноїдних атомів (тих, що мають лише 1 електрон). Як і Шредінгер, Бор дійшов до допустимих рівнів енергії для атома водню.
Однак атомна модель Бора не здатна досягти електронних рівнів для атомів з більш ніж 1 електроном і, таким чином, демонструє свою головну слабкість. Коли присутні два електрони, необхідно враховувати електронне відштовхування між ними, параметр, який можна додати до математичного розуміння, запропонованого Шредінгером.
Іншим важливим моментом досліджень Шредінгера є адаптація квантових концепцій, таких як подвійність частинки, а також точна траєкторія для електрона. Визначення атомної орбіталі є дуже важливим для розуміння будову всіх атомів. А Щільність ймовірності (ψ²) допомагає нам зрозуміти, як електрони займають атомні орбіталі в поліелектронних атомах, приносячи більш конкретну інформацію про енергію електрона.
Стефано Араухо Новаїс
Вчитель хімії
Джерело: Бразильська школа - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/modelo-atomico-de-schrodinger.htm