Cóż, pierwszym krokiem jest zaprzestanie myślenia o elektronach jako bardzo małych kulkach krążących wokół jądra po torze kołowym. Jest to znane jako model Bohra. Pomimo tego, że model ten jest doskonałym modelem na poziomie początkowym, nie wyjaśnia całej historii.

Jest kilka problemów z pogląd, że elektrony poruszają się po kołowej orbicie wokół jądra, przy czym główną z nich jest to, że powinny one ostatecznie ulec rozpadowi orbitalnemu, a tym samym w końcu zwolnić i uderzyć w jądro. Oczywiście tak się nie dzieje. Jak więc elektrony poruszają się wokół jądra?

W tym miejscu teoria kwantowa przyszła na ratunek na początku XX wieku. Stwierdzono, że elektrony nie mogą być traktowane jako klasyczna cząstka i nie mają określonego położenia i pędu. Zasadniczo oznacza to, że nie możemy dokładnie poznać położenia elektronu i jego pędu w tym samym czasie. Zależność tę określa Zasada Nieoznaczoności Heisenberga .

Nie będę się tym szczegółowo zajmował, ponieważ aby wyjaśnienie było proste, ale jeśli jesteś zainteresowany, obejrzyj ten film, który zawiera naprawdę dobre wyjaśnienie.

Zasadniczo to, co mówi nam teoria kwantowa, że ​​tak naprawdę nie możemy określić, gdzie i jaką ścieżką będzie podążał elektron. Jednak model Bohra zakłada, że ​​można precyzyjnie wykreślić, gdzie będzie elektron, ale teraz wiemy, że ze względu na zasadę nieoznaczoności Heisenberga nie można dokładnie poznać dokładnej pozycji i pędu elektron. Więc właściwie nie możemy zbudować orbity i powiedzieć, że elektron zawsze będzie podążał tą ścieżką.

Dlatego niemożliwe jest wykreślenie orbity dla elektronu, jak to możliwe? Jeśli nie wiesz, gdzie elektron będzie następny, nie możesz przewidzieć jego ścieżki.

Jak więc możemy obejść ten problem? Cóż, jeśli nie możemy narysować orbity dla elektronu, następną najlepszą rzeczą, jaką możemy zrobić, jest wykreślenie dla niego orbitalu prawdopodobieństwa gęstości elektronów. Znany również jako orbitale atomowe .

Orbital to dobrze zdefiniowany obszar przestrzeni. Dlatego orbital atomowy to obszar przestrzeni, który pokazuje, gdzie elektron będzie przebywał w 95% przypadków (zwykle przyjmujemy 95%, ale może to być dowolna liczba, na przykład 90% lub 75%).

Prostym sposobem myślenia o orbitali jest wyobrażenie sobie, że masz magiczną kamerę, która może wykonać sekwencję zdjęć elektronu w atomie wodoru. Elektron pojawia się jako kropka. Teraz, jeśli nałożymy wszystkie te obrazy, zobaczysz coś takiego:

Ponieważ zwykle przyjmujemy orbitale atomowe jako region przestrzeni, która pokazuje, gdzie elektron będzie przebywał w 95% przypadków, mówi się, że bardzo zewnętrzna sfera powyższego obrazu jest orbitalem elektronu.

Mam nadzieję, że pomoże ci to zrozumieć orbitale. Jeśli masz jakieś pytania, nie wahaj się zapytać.

Dlaczego nie spróbujesz z analogiami: przynajmniej jako podstawowe wprowadzenie bardzo doceniam próbę podjętą tutaj przez Goh i in.

Orbital to obszar w przestrzeni, w którym istnieje duże prawdopodobieństwo znalezienia elektronu. Analogią do orbitalu jest możliwa lokalizacja ucznia na podstawie jego planu zajęć. Na przykład, zgodnie z planem zajęć, w poniedziałek o godzinie 9.00 student musi być w Sali Wykładowej 1 na lekcję chemii. Można powiedzieć, że w ciągu kilku tygodni istnieje duże prawdopodobieństwo, że ten student będzie w tym dniu o tej porze w Sali wykładowej 1. Nie można jednak mieć 100% pewności, że ten uczeń tam będzie, ponieważ tego dnia może być nieobecny w szkole. Zwykle też nie można dokładnie przewidzieć, gdzie student będzie siedział w sali wykładowej, ale z dużym prawdopodobieństwem można powiedzieć, że student ten będzie przebywał w obrębie sali wykładowej. Ta analogia dość dobrze opisuje orbital, ponieważ bierze pod uwagę prawdopodobieństwo i region przestrzeni w definicji orbitalu.

Na pewno zacznę od takiego analogia, która wydaje się dawać dość prosty, choć dokładny opis tego, jak należy traktować orbitale.

Ok. Zapomnij na chwilę o wszystkim o orbitali.

Masz jądra. Masz wokół nich elektrony.

Pierwszy krok: elektrony nie są kulami. Wyobraź sobie, że są rozmazanym ładunkiem w kosmosie. Dokładnie tym są: rozmazany ładunek w przestrzeni, z rozmytymi granicami, jak nieostra plama. Kształt tej plamki zależy od wielu czynników, ale największym z nich jest położenie jąder.

Teraz przypuśćmy, że chcesz opisać kształt tej plamki, tak jakbyś chciał ją wydrukować w 3D. Cóż, prostym sposobem byłoby podzielenie przestrzeni na małe kostki i powiedzenie „ładuj”, jeśli masz jakąś smugę lub „bez ładunku”, jeśli nie masz tej smugi. W praktyce, ponieważ jest rozmyty, w niektórych kostkach można powiedzieć, że „ładunek 3,0”, w innych kostkach „ładunek 1,3”, w innych „ładunek 0,1” i tak dalej. Jest to całkowicie uzasadniony sposób opisu tego, co nazywa się „gęstością ładunku” w przestrzeni.

Problem z tym podejściem polega na tym, że jest on raczej niewygodny. Ma słabą dokładność i źle się skaluje. Jeśli zmniejszysz małe kostki, ponieważ nie lubisz życia w świecie Minecrafta, potrzebujesz do tego o wiele więcej kostek.

Więc teraz jest na to mądrzejsza metoda i wyjaśnienie potrzebuję, żebyś zrozumiał rozkład Fouriera. To nie jest tak trudne, jak myślisz.

Problem jest następujący. Masz złożoną falę dźwiękową, taką jak ta wytwarzana przez dmuchanie w gwizdek lub śpiewanie piosenki, i okazuje się, że możesz stworzyć dowolny złożony kształt tej fali, sumując razem prostsze fale: ostrożny wybór sinusów i cosinusów określonych częstotliwości (wysokości) i o określonej intensywności (objętości). Zagraj je wszystkie razem, a odzyskasz początkową falę.

Dokładnie to widzisz na ekranie swojego widma w swoim stereo

Gdzie każda kolumna ma inną częstotliwość, a wysokość kolumny to intensywność danej częstotliwości. Zmienia się cały czas, ponieważ grasz złożoną muzykę, ale spróbuj zagrać jednolity dźwięk (np. Skrzypce grają pojedynczą nutę), a zobaczysz, że pozostaje taki sam przez cały czas.

Wracając do orbitali .

Orbitale są „sinusami i cosinusami” naszego problemu opisywania tej kropli. Mamy złożoną całość (naszą rozmazaną plamkę) i chcemy ją opisać poprzez zsumowanie „czegoś”. Nie ma znaczenia, jakiego „czegoś” użyjemy, ale okazuje się, że trójwymiarowe funkcje tego kształtu mają wiele fajnych właściwości, co sprawia, że ​​problem jest dużo bardziej zwarty.

Zróbmy prosty przykład. Załóżmy, że masz kulistą kroplę ładunku. Prawdopodobnie jest to dobrze opisane przez pojedynczy orbital o kulistym kształcie (orbital s), dokładnie tak, jak sinusoida z kamertonu jest dobrze opisana przez pojedynczą funkcję sinusoidalną.

Teraz dodaj pole elektryczne, aby elektrony są ciągnięte, a rozmazana kula przypomina teraz bardziej wydłużone jajo. To nie jest tak naprawdę dobrze opisane przez kulę, prawda? więc musisz opisać płat, co oznacza, że ​​potrzebujesz dodatkowego orbitalu (orbital ap), aby dodać go do miksu, aby wynik miał kształt jajka, dokładnie tak, jak potrzebujesz więcej niż jednej fali sinusoidalnej, aby opisać dźwięk skrzypiec.

To wszystko. orbitale są po prostu wygodnymi trójwymiarowymi odpowiednikami sinusa i cosinusa. Moglibyśmy użyć czegokolwiek innego (i faktycznie robimy, w niektórych przypadkach) i to też by działało, ale z pewnymi potencjalnymi wadami.

Wyjaśnienie atomowej struktury orbitalnej atomu to fascynująca historia. Właśnie został rozwiązany w ciągu ostatnich stu lat. Nie była to podróż liniowa, ale podróż pełna różnego rodzaju ślepych zaułków i pobocznych wycieczek. Grecy myśleli, że pierwiastki to powietrze, ogień, woda i ziemia. Nie rozumiejąc atomu, alchemicy spędzili miliony godzin i niezliczoną ilość pieniędzy, próbując zamienić inne substancje w złoto.

Tak więc pierwszy znaczący krok w rozwiązaniu struktury atomowej rozpoczyna się od Dmitrija Mendelejewa, któremu przypisuje się pojęcie układu okresowego. Pozwoliło to na odkrycie dodatkowych elementów, które były potrzebne do uzupełnienia tabeli. Nie wiadomo jednak, dlaczego układ stołu się sprawdził.

Mniej więcej w tym samym czasie trwały inne prace. Maxwell stworzył swoje słynne równania łączące prąd elektryczny i magnetyzm.

Odkrycie elektronu nastąpiło mniej więcej w tym samym czasie. Ale dopiero około 1900 roku zrozumienie elektronu było dość kompletne.

Fizycy wciąż nie rozumieli, jak złożyć atom. W tym momencie pojawiło się wiele modeli atomowych, aby wyjaśnić różne zjawiska. Jednym z takich modeli był model budyniu z ołowiu. Pomysł był taki, że atom był jak grudka budyniu, w której elektrony były zawieszone jak śliwki w budyniu.

Jeden wielki przełom nastąpił po Rutherford rozpraszaniu około 1910 roku. Eksperymenty te wykazały, że jądro (ładunek dodatni) znajduje się w środku atomu i ma bardzo małą objętość w porównaniu z całym atomem. Doprowadziło to do planetarnego modelu atomu. Ujemnie naładowane elektrony krążą wokół dodatnio naładowanego jądra, podobnie jak planety krążące wokół Słońca.

To nie wyjaśnia innych zjawisk, które były znane, jak widma liniowe wodoru, które odkrył Balmer przed 1900.

Takie widma liniowe były powiązane za pomocą wzoru Rydberga, który wiązał zasadę liczby kwantowej $ n $ ze strukturą atomową.

$ \ frac {1} {\ lambda} = R (\ frac {1} {{n_1} ^ 2} - \ frac {1} {{n_2} ^ 2}) $

w 1913 roku opracowano model Bohra. To wyjaśniało, że elektrony były ułożone w powłokach, a wypełnienie struktury powłoki można było powiązać z układem okresowym!

Struktura powłoki jest w zasadzie przyczepiona do modelu planetarnego przez Arnolda Sommerfelda i założono, że z jakiegokolwiek powodu elektrony nie mogą krążą wokół jądra atomu na „dowolnej” orbicie, ale musiały zajmować pewne orbity, które stały się znane jako powłoki. Do modelu Bohra dodano podpowłoki ($ l $, $ m $ i $ s $), aby sfałszować dodatkowe orbity w celu wyjaśnienia subtelnej struktury spektroskopowej niektórych pierwiastków. Podobnie jak linie Fraunhofera obserwowane w widmach słońca.

W tym momencie fizycy i chemicy skatalogowali większość zachowań atomów, ale nadal nie mieli pełnego zrozumienia, w jaki sposób atomy pracował.

W połowie lat dwudziestych Schrödinger opracował swoje słynne równanie, które dopełniło zagadkę struktury atomów na bardziej podstawowe elektrony i jądro. Z modelu Bohra wynika, że ​​elektrony muszą znajdować się na pewnych orbitach, ponieważ orbity są skwantowane. Oznacza to, że każdy orbital ma określoną energię. Schrödinger pokazał, że orbity nie przypominały pasów podczas zdarzenia lekkoatletycznego, które ograniczało elektrony, ale że orbita elektronów była rozłożona w chmurze 3D wokół atomu. Innym aspektem prac Schrödingera i innych było to, że elektron miał zarówno charakterystykę falową, jak i charakterystykę cząstek.

Korzystając z równania fali Schrödingera, można obliczyć kształt orbitali. To było w 1930 roku, komputery wciąż były od dekad. Więc te obliczenia zostały wykonane ręcznie! „Problem” polegał na tym, że rozwiązanie równań było możliwe tylko dla jednego elektronu. Korzystając z rachunku różniczkowego, dobrze jest móc rozwiązywać równania, aby można było łatwo obliczyć całki. Jednak problem trzech ciał nie pozwala na takie rozwiązanie. Przy nowoczesnych komputerach można obliczyć rozwiązania numeryczne, mimo że całki nie istnieją.

Wracając do pytania. Orbital to funkcja matematyczna opisująca trójwymiarową ścieżkę elektronu wokół jądra. Zamiast planetarnej „orbity” orbital jest funkcją prawdopodobieństwa. Gęstość orbity zmienia się w zależności od promienia. W zależności od orbity funkcja prawdopodobieństwa wskazuje również orientację w przestrzeni 3D. Tak więc orbital S jest kulisty, tak jak w przypadku braku preferencji X-Y-Z. orbitale P mają jednak nie tylko aspekt promieniowy, ale także orientacje przestrzenne. Zatem trzy orbitale P są jak trójwymiarowe obroty dwulistnej róży w przestrzeni 2D. Tak więc orbitale P mają płaty zorientowane wzdłuż osi +/- X, osi +/- y i osi +/- z.

Słowo ostrzeżenia. Reprezentacje orbity są bardzo przydatne do przewidywania zachowania chemicznego, ale nie są „rzeczywiste”. To oczywiście robi się trochę szalone, gdy powstają cztery orbitale molekularne $ sp ^ 3 $, z których każdy ma znak 25% S i 75% P! To trochę tak, jakby myśleć, że jednorożec to hybryda konia i nosorożca.

Nie znam wystarczająco fizyki, aby wiedzieć, czy to jest cel, czy nie, ale ...

Pomysł różnych trybów wibracyjnych jest łatwy do zademonstrowania za pomocą dużą miskę wody i palec. Napełnij miskę i użyj palca, aby wzbudzić na powierzchni różne wzory fal stojących.

Zacznij od środka miski, powoli przesuwaj palcem w górę iw dół, a powinieneś być w stanie uzyskać promieniowo-symetryczna fala stojąca, która wygląda jak dwuwymiarowa wersja orbity 1S. Kiedy już znajdziesz częstotliwość podstawową, podwoj ją, a otrzymasz coś w rodzaju orbity 2S. Przesuń się poza środek, a prawdopodobnie możesz wzbudzić tryb, który wygląda jak 1P i 2P.

Niestety, będziesz musiał się na tym zatrzymać, ponieważ tryby wyższego rzędu na dwuwymiarowym powierzchnia wody nie ma dużego podobieństwa do trójwymiarowych orbitali wyższego rzędu.

Ale to, co możesz pokazać, to to, że fale stojące w ograniczonej przestrzeni miski są ograniczone tylko do kilku dyskretnych możliwych rodzajów i że dla każdego rodzaju częstotliwość wydaje się zawsze być całkowitą wielokrotnością pewnej częstotliwości podstawowej.

Orbital to funkcja fali jednoelektronowej. Opisuje, gdzie należy się spodziewać elektronu (lub pary, jeśli to konieczne), w jakiś sposób ignorując wszystkie inne elektrony.

Elektron jest zarówno cząstką, jak i falą.

Fale dźwiękowe przemieszczające się w powietrzu mogą mieć dowolną częstotliwość. Ale wibrujący dysk może rezonować tylko przy określonych częstotliwościach. Odpowiadają one trybom wibracji dysku. Animacje na dole https://en.wikipedia.org/wiki/Vibrations_of_a_circular_membrane pokazują te tryby wibracji i istnieje relacja jeden do jednego z orbitaliami o symetrii s, p i d (bardziej złożone symetrie orbitalne wymagają 3 wymiarów).

Chociaż ta analogia jest daleka od doskonałości, pokazuje ona zasady funkcji falowej. Zauważ, że we wszystkich przypadkach z wyjątkiem 1s, część membrany w ogóle się nie porusza. Nazywa się to węzłem. Węzły mogą być płaskie lub okrągłe / kuliste. Na orbicie węzeł to miejsce, w którym prawdopodobieństwo znalezienia elektronu wynosi zero.

Całkowita liczba stref, w których prawdopodobieństwo znalezienia elektronu wynosi zero (obejmuje to strefę nieskończonej odległości od atom) jest określona liczbą w oznaczeniu orbity. Liczba węzłów planarnych jest określona literą.

Zatem wszystkie orbitale o oznaczeniu 3 mają 3 strefy, w których prawdopodobieństwo znalezienia elektronu wynosi zero. 3s ma 2 sferyczne węzły (trzecia strefa to nieskończona odległość od atomu). 3p ma jeden płaski węzeł i 1 kulisty. 3d ma 2 węzły płaskie (nadając mu znajomy kształt 4-klapowy). Zauważ również, że istnieje jeden orbital 3d z węzłem stożkowym, ale uznamy go za należący do tej samej grupy co notatki płaskie. p> Wracając do analogii dysku kołowego, widzimy, że może on wibrować w wielu dyskretnych modach, a jego ruch można opisać jako kombinację tych modów.

W atomie zasada wykluczenia paulego mówi, że wszystkie elektrony muszą mieć różne liczby kwantowe. Tak więc każdy orbital może zawierać do 2 elektronów, pod warunkiem, że mają różne spiny. W ten sposób atom różni się od analogii wibrującego dysku, ponieważ dysk może wibrować z dowolną amplitudą, ale orbital może zawierać tylko 0,1 lub 2 elektrony.

Każdy elektron ma pewną energię, w zależności od na jakim orbicie się znajduje. Energia elektronu zależy również od jego interakcji z innymi elektronami na innych orbitali. W dużej mierze z powodu tych interakcji odkrywamy, że orbitale z większą liczbą płaskich węzłów mają wyższą energię niż te z mniejszą liczbą węzłów płaskich.

Wyobraź sobie, że jestem twoim młodszym bratem, jak wytłumaczysz mu orbitę? (zakładając, że wie, czym są elektrony i neutrony atomów, i resztę podstaw do tego momentu).

Jest w tym pewien problem, że prawdopodobnie nie będzie wiedział czym elektrony są. W modelu standardowym nie ma modelu elektronowego. Jest opisywana jako cząstka podstawowa, ale nie ma prawdziwego opisu tego, jak jest tworzona podczas produkcji par gamma-gamma, ani czym naprawdę jest. Można znaleźć informacje o spinorach i pasie Diraca oraz o równaniu Diraca, które jest równaniem falowym. Ale wtedy ludzie mówią o cząstkach punktowych i prawdopodobieństwie i wszystko staje się zagmatwane.

Czytałem o tym i nie potrafię tego rozróżnić.

IMHO to proste, gdy wykonujesz trochę pracy detektywistycznej . Zapoznaj się z artykułem Wikipedii orbitale atomowe i zauważ, że elektrony „istnieją jako fale stojące” . Kwestią dyskusyjną jest to, że kiedy wyjmujesz elektron z orbity atomowej, nadal istnieje jako fala stojąca. Zrobiłeś to razem z pozytonem z fotonów podczas produkcji pary gamma-gamma. Możesz ugiąć elektrony. Dyfrakcja elektronów „odnosi się do falowej natury elektronów” . Elektron jest falą. stojąca fala. Fala stojąca, pole stojące. Elektron nie krąży wokół jądra jak planeta, bardziej przypomina elektromagnetyczny pierścień Saturna. Nie jest płaskie, jest kuliste, ale trudno to sobie wyobrazić, więc opisując to swojemu młodszemu bratu, trzymaj się płaskiego pierścienia. Aby mu to pokazać, daj mu brylant i nakłoń go do obracania go w kółko. Tworzy to obraz w kształcie pierścienia, który odnosi się do orbity s poniżej:

_{Zdjęcie dzięki uprzejmości UCDavis Chemwiki}

Teraz niech obróci brylant na ósemkę. Odnosi się to do orbitalu p w orientacji x y lub z. Następnie poproś go, aby obrócił brylant na sposób czterolistnej koniczyny. To odnosi się do orbitalu d i tak dalej.

Z drugiej strony, jak odnoszą się do nich różne poziomy energii.

Ponieważ mamy do czynienia raczej z falami elektromagnetycznymi niż iskrami i poziomami energii są trochę jak koła zębate. Zobacz to zdjęcie Kennetha Snelsona:

Fala stojąca zawsze zawiera liczbę całkowitą długości fal. Atom jest „kwantowym oscylatorem harmonicznym”. Fala elektronowa może skutecznie zmienić bieg na wyższy, gdy pochłonie falę fotonową E = hf. Kiedy emituje foton, skutecznie zmienia bieg w dół.

Oczywiście orbitale elektronowe nie są takie proste, ale powinno to wyrzucić twojego młodszego brata z pierwszej bazy.

Nie próbowałbym więcej wyjaśniać mojemu hipotetycznemu młodszemu bratu, czym jest „orbital”, niż psu. JEŚLI był jakiś powód , aby je wyjaśnić, to musiałbym wiedzieć, co to takiego. Zauważyłem, że nawet nie wspomniałeś, czy mówisz o orbitaliach atomowych, czy o orbitali molekularnych ... Jeśli popchnięty, powiedziałbym, że orbitale opisują kształt objętości przestrzeni, w której związany elektron z podanym zestawem liczb kwantowych najprawdopodobniej jest to kształt przestrzeni, w której ten elektron spędza większość czasu.

Oribitale to miejsca, w których elektrony osiadają w stabilnym atomie. Opiera się to na dwóch półkulach leżącej pod spodem, podobnej do magnetycznej, słabej siły „nukleomagnetyków” od jądra do każdego elektronu, utrzymującego elektrony w powłoce. Siła ta jest odpychająca, gdy ładunek elektrostatyczny jest atrakcyjny. Widzę, dlaczego elektrony pozostają w polu.

W rezultacie otrzymujesz pierwsze punkty równoważenia powłoki na obu końcach osi. Stąd Hyrogen z jednym i Hel z dwoma, a następnie podpowłoka i powłoka są pełne.

Następnie elektrony wypełniają dwie półkule rosnące o kwadraty, więc następną powłoką są dwie podpowłoki. To piramida, która buduje 1/3/5/5/3/1 od bieguna do równika do bieguna. Zauważ, że 1 + 3 + 5 = 9, co jest idealnym kwadratem. Jednak są one w dwóch półkulach, tak że podpowłoki mają rozmiar 2, 6, 10. Pełne powłoki to 2x1, 2x4, 2x9.

Zobacz moją książkę na temat modelu atomowego scrunched Cube, aby wyjaśnić powłoki i podpowłoki dla zwykłych ludzi.