Kvantově-mechanický model atomu a jeho struktury

Planetární kvantový mechanický model atomu Bohr je často vzpomínán na jeho čistý a známý obraz elektronů. Otočí kolem centrálního jádra, jako planety kolem slunce. Z tohoto důvodu může být obtížné nahradit obraz toho, který přesněji představuje kvantově-mechanický model atomu používaného moderními fyziky.

Jak se atom pohybuje a pohybuje se?

Atom má malé jádro a vlny ostrých drah. Umístění a pohyb elektronů je popsán vlnami jejich hmoty. Tyto struktury předpovídají pravděpodobnost nalezení elektronu v dané oblasti atomu. Ale odkud pochází kvantový mechanický model atomu Bohr?

Planetární model inicioval proces zavedení kvantové teorie do struktury atomu. Bohr představil myšlenku stacionárních stavů, v nichž byl atom stabilní. Přechody mezi těmito stavy vysvětlují existenci spektrálních čar. V případě vodíku byl schopen získat energetické úrovně:

1. Přechody mezi energetickými úrovněmi odpovídají čarám ve vodíkovém spektru.
2. Jeho model nemohl předpovídat energetické hladiny pro jiné atomy (ačkoli úrovně vodíku-jako alkalické kovy by mohly být přiblíženy k pravdě).

Odděleně byla provedena práce Heisenberga a Schrödingera, aby bylo možné vynalézt způsob, jak podrobněji popsat kvantované energetické hladiny atomů.

Analogie Heisenberga a Schrödingera: jak vedly rovnici k důkazu vlny

Kvantově-mechanický model struktury atomu má jedinečnou sadu vlastností. Heisenberg použil matrice a Schrödinger vyvinul vlnovou rovnici, aby dokázal absolutní rozdíl v chování kvantové. Dvojitost částic je ve videu podrobněji zobrazena.

Schrödingerovy rovnice poskytují reprezentaci pravděpodobnosti hustoty elektronů kolem jádra atomu. Většina definic kvantové teorie a kvantové mechaniky nabízí stejný popis pro obě. V podstatě popisují kvantovou teorii, ve které jak energie, tak hmoty mají v některých podmínkách vlastnosti vln a charakteristiky částic v jiných.

Aby tato myšlenka byla jasnější, lidé začali provádět experimenty z hlediska mentálního slibu.

1. Kvantová teorie naznačuje, že energie pochází z diskrétních paketů zvaných quanta (nebo v případě elektromagnetického záření fotony).
2. Kvantová teorie má nějaký matematický vývoj, často nazývaný kvantová mechanika, který nabízí vysvětlení chování elektronů uvnitř elektronových mračen atomů.

Hlavními ustanoveními kvantového mechanického modelu struktury atomu je dualita elektronových vln v elektronovém oblaku, která omezuje naši schopnost současně měřit energii a polohu elektronu.

Skryté vlastnosti elektronů

Čím přesněji měříme energii nebo polohu elektronu, tím méně o druhém víme. Nemůžeme přesně označit polohu a hybnost elektronu současně. To znemožňuje předpovědět trajektorii částice. V důsledku toho je chování elektronu popsáno jinak než chování částic normální velikosti. Potřebujete vědět:

• Nejčastějším způsobem, jak popsat elektrony v atomech podle kvantové mechaniky, je vyřešit Schrödingerovu rovnici pro energetické stavy elektronů v tomto oblaku.
• Když je elektron v těchto stavech, jeho energie je jasně definovaná a pozice není.
• Poloha je popsána mapou distribuce pravděpodobnosti nazvanou orbitální.

Trajektorie, kterou obvykle spojíme s makroskopickými objekty, je nahrazena elektrony v mracích elektronů a statistické popisy nenaznačují cestu, ale oblast, ve které se nacházejí. Vzhledem k tomu, že elektron v atomovém elektronovém oblaku určuje jeho chemické chování, chápe chemii, je nutné popsat uspořádání elektronů v klíči kvantového mechanického modelu atomu.

Heisenbergův princip nejistoty: oblast uvnitř atomu

Louis de Broglie navrhl, aby všechny částice mohly být považovány za materiálové vlny s vlnovou délkou - lambda, definovanou následující rovnicí:

Lambda = skutečný čas (hodina) + milivoltová hodina

Erwin Schrödinger navrhl kvantově-mechanický model atomu. Stručně řečeno: zaobírá elektrony jako vlny hmoty.

Čtverec funkce vlny představuje pravděpodobnost nalezení elektronu v dané oblasti uvnitř atomu. Atomová dráha je definována jako oblast uvnitř atomu, kde je elektron.

Heisenbergův princip nejistoty uvádí, že nemůžeme vědět ani energii, ani polohu elektronu. Proto když se dozvíme více o pozici elektronu, víme o jeho energii méně a naopak. Elektrony mají vnitřní vlastnost nazvanou spin. Jakékoli dva elektrony obsazující stejnou oběžnou dráhu musí mít opačné otáčky.

Světlovodný éter v kvantovém světě

Povaha světla byla předmětem výzkumu od starověku. V sedmnáctém století provedl Isaac Newton experimenty s čočkami a hranolky. Dokázal dokázat, že bílé světlo se skládá z jednotlivých barev duhy, dohromady. Newton vysvětlil výsledky své optiky s "korpuskulárním" pohledem na světlo, ve kterém světlo sestávalo z proudů extrémně malých částic, pohybujících se vysokou rychlostí v souladu s Newtonovými zákony pohybu. Stojí za zmínku:

1. Christian Huygens ukázal, že optické jevy, jako je odraz a refrakce, mohou být stejně dobře vysvětleny z hlediska světla jako vlny pohybující se vysokou rychlostí prostřednictvím média nazývaného "luminiferous ether". Protíná celý prostor.

2. Na počátku devatenáctého století Thomas Young prokázal, že světlo procházející úzkými štěrbinami vytváří interferenční vzory, které nelze vysvětlit z hlediska Newtonových částic, ale lze je snadno interpretovat z hlediska vln.

3. Později v devatenáctém století, když James Clerk Maxwell vyvinul svou teorii elektromagnetického záření a ukázal, že světlo je viditelnou částí obrovského spektra elektromagnetických vln, pohledu částice na světlo se úplně zdiskreditovalo.

Dnes se tyto oblasti nazývají klasická mechanika a klasická elektrodynamika (nebo klasický elektromagnetismus).

Jak postupovala myšlenka zavádění nových konceptů ve fyzice

Na konci devatenáctého století vědci viděli fyzický vesmír jako přibližně složený ze dvou oddělených oblastí:

• hmotu tvořenou částicemi pohybujícími se podle Newtonových zákonů pohybu;
• elektromagnetické záření sestávající z vln řízených Maxwellovými rovnicemi.

Paradoxy vedly k moderní struktuře kvantově-mechanického modelu atomu Schrödingera, který úzce spojí částice a vlny na základní úrovni nazývaný dualitou částice vlny, která nahradila klasický pohled.

Diskrétní vlna Bohr: jak se chovají emisní spektra vodíku

Podle modelu Bohr obsahují emisní spektra různých prvků diskrétní čáry. Viditelná oblast emisních spekter vodíku může být znázorněna pomocí tabulky.

Toto je schematická reprezentace kvant, kde je známo množství elektronů a úrovní. V životě za vakuových podmínek nelze s jistotou říci, že existuje limit na podnárodní hladiny, ale nemůže existovat více než 7. Kvantifikované emisní spektra naznačují, že elektrony mohou existovat uvnitř atomu pouze v určitých atomových poloměrech a energiích.

Při sestavování modelu Bohr odvodil rovnici, která správně předpovídala různé úrovně energie v atomu vodíku. Kvantový mechanický model byl vhodný pouze pro tento konkrétní případ. Hladiny odpovídaly emisním řadám ve spektru látky.

Bohr model, který dokázal jednožilové vodíkové systémy

Rychlost elektronů na energetické hladině základního stavu vodíku je 2,2 × 10 ⁶ s ÷ m, kde s je délka, m je hmotnost. Můžeme nahradit konstantu, stejně jako elektronovou hmotu a rychlost do de Broglieho rovnice. Ale zároveň nemohl vysvětlit elektronickou strukturu v atomech, které obsahovaly více než jeden elektron.

Pokud se zaměříme na chemii, kvantový mechanický model atomu vodíku by měl obsahovat pouze protony. Při setkání s elektrony nebo neutrony se částice začínají chovat jako vlna. V jiných případech se atomy jiné látky mohou bez ohledu na strukturu chovat jako vlny nebo částice. Ve zkratce je kvantovým mechanickým modelem atomu vodíku materiální dualismus vlny, ale ne částice.

Překrývání vln jeden na druhém: jak se cesty křižovatky atomů nemíchají

Rádiové vlny z mobilního telefonu, rentgenové záření používané zubními lékaři, energie používaná pro vaření ve vaší mikrovlnné troubě, sálavé teplo z horkých předmětů a světlo z televizní obrazovky jsou všechny formy elektromagnetického záření, které vykazují vlnové chování. Je třeba si uvědomit:

• Vlna je oscilace nebo periodický pohyb, který může přenášet energii z jednoho místa prostoru do druhého.
• Třepání konce lana přenáší energii z ruky na druhý konec lana; oblázky do rybníka vedou k vlnám šířících se podél vody; expanze vzduchu doprovázející blesk vytváří zvukové vlny (hromy), které mohou cestovat několik kilometrů.
• V každém z těchto případů se kinetická energie přenáší přes látku (lano, voda nebo vzduch), zatímco látka zůstává na svém místě.

Vlny by se neměly omezovat pouze na cestování hmotou. Jak ukázal Maxwell, elektromagnetické vlny se skládají z elektrického pole, které kolísá v čase s kolmým magnetickým polem. Jsou kolmé na směr pohybu. Tyto vlny mohou procházet vakuem při konstantní rychlosti 2,998 × 108 m / s, kde c je rychlost světla.