Pytanie:
Jak orbitale współistnieją z jądrem?
timothymh
2012-04-28 22:01:23 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Wiele diagramów orbitali, które widziałem, obejmuje elektrony poruszające się przez punkt środkowy - gdzie znajduje się jądro. Jak to może być? Najwyraźniej nie przechodzą przez jądro, więc co się dzieje?

„Przechodzenie przez punkt środkowy” „to nieprawda. W rzeczywistości orbitale mają pewną gęstość elektronów w jądrze, ale nie ma nic o „poruszaniu się” po orbitali.
Jak powiedział Georg, na orbitali nie ma ruchu. Są to stany stacjonarne z definicji funkcji własnych jakiegoś jednoelektronowego hamiltonianu. Pytanie nie ma znaczenia, jak stwierdzono.
Pięć odpowiedzi:
#1
+18
Terry Bollinger
2012-05-01 06:42:41 UTC
view on stackexchange narkive permalink

W definicji powłoki s przekonasz się, że jej numer $ \ ell $ wynosi zero. W klasycznym ujęciu odpowiada to orbicie o zerowym pędzie orbitalnym lub kątowym - co w przypadku dużego obiektu jest oczywistą niemożliwością. Dla elektronu daje to osobliwy wynik, że każdy elektron w dowolnej powłoce, mówiąc klasycznie, porusza się w tę iz powrotem przez jądro, a nie wokół niego. Tak więc, w pewnym dziwnym sensie, właśnie zapytałeś dokładnie, co się dzieje: klasyczna analogia jest taka, że ​​elektrony przechodzą przez jądro i dlatego mają tak piękną symetrię sferyczną.

Druga część odpowiedzią jest jednak to, że elektrony nie mogą przejść przez jądro, jeśli nie są znacznie bardziej energetyczne niż te, które znajdują się w typowym atomie o małym jądrze. Najwyraźniej dzieje się tam trochę paradoksu!

Rozwiązanie tego paradoksu jest takie, że cząstki naładowane o bardzo małej masie muszą być traktowane zgodnie z zasadami kwantowymi. Na przykład elektron zamiast zachowywać się jak dobrze zdefiniowana cząstka zachowuje się jak fala stojąca. Z kolei tę falę stojącą można traktować jako dwie równoczesne wersje elektronu, jedną poruszającą się (na przykład) zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a drugą przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. (Rzeczywista sytuacja ma nieskończoną liczbę takich komponentów; wybieram tylko jedną parę z nich, która demonstruje zasadę).

Każdy z tych składników można ponadto uważać za załamany przez potężne sferyczne pole ładunku jądra, zakrzywiając się wokół niego bez uderzenia. To załamanie to nie to samo, co przyciąganie. W rzeczywistości to efekt refrakcji zapobiega osiągnięciu przez gęstość chmury elektronów nieskończoności w jądrze - to znaczy przed uderzeniem w jądro. Jeśli pomyślisz o tym, jak zbiornik z wodą może powodować, że wiązka światła odbija się od powierzchni zamiast do niego wpadać - i to jest okropna analogia, wiem, wiem - możesz przynajmniej mieć pojęcie o tym, jak rośnie ” gęstość optyczna "w kierunku centralnego punktu może raczej odciągać światło niż przybliżać je.

Zatem dla elektronu, który zachowuje się" jak "dwie fale poruszające się zarówno w prawo, jak iw lewo, połączone fale zakrzywiają się wokół jądra zamiast uderzające. Jest to zdarzenie bardzo kwantowe, ponieważ dla klasycznego obiektu takie „rozszczepienie” obiektu jest po prostu niemożliwe, a obiekt po prostu nurkuje prosto w źródło przyciągania. Ale jeśli obiekty są dostatecznie lekkie, tego rodzaju zachowanie podobne do cząstek po prostu przestaje być dostępne dla obiektu. Zamiast tego otrzymujesz fale, które są zgrabne i mają doskonałą sferyczną krzywą symetrii wokół jądra, nigdy nie uzyskując wystarczającej energii (co czyni ją bardziej podobną do cząstek), aby połączyć się bezpośrednio z tym jądrem.

Na koniec zauważ, że elektrony w s (i inne) powłoki muszą koniecznie łączyć wiele ścieżek jednocześnie. Dla każdego „obrazu” elektronu, który porusza się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, musi istnieć dokładnie równoważący „obraz” tego samego elektronu poruszającego się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, tak aby oba obrazy zawsze wyrównywały się do zerowego pędu na orbicie. Cóż to za niesamowita rzecz! I jest to też ważna rzecz, ponieważ to właśnie umożliwia chemię.

A więc dobre pytanie, nawet jeśli jest to bardziej kwestia fizyki per se niż kwestia chemii. Ale to takie ważne pytanie chemiczne! To tak, jakby zapytać, jak działa silnik napędzający samochód. Możesz przyjąć jako pewne, że wszystkie samochody i pojazdy mają silniki i że wszystkie działają w określony sposób. Czasami jednak fajnie jest zanurzyć się trochę głębiej i spróbować zrozumieć, dlaczego te dziwne rzeczy powodują rzeczy, które umożliwiają chemię - czyli jak naprawdę działa silnik.

Naprawdę nie mam pojęcia, co się dzieje w tej odpowiedzi. Zgodnie z rozwiązaniem atomu wodoru, istnieją stany stacjonarne (np. Orbitale 1s), które mają największe prawdopodobieństwo pojawienia się elektronów spośród wszystkich możliwych pozycji istniejących w jądrze.
Terry, dlaczego mówisz, że elektron nie może przejść przez jądro? Jak można wyjaśnić obserwację kontaktu Fermiego za pomocą NMR i EPR, jeśli elektrony nie wejdą do jądra? „Celem tego artykułu jest wskazanie, że izotropowe oddziaływanie HF wynika z gęstości prawdopodobieństwa elektronu„ s ”wewnątrz jądra”. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0143-0807/21/1/303/meta
Szybka odpowiedź: Będę musiał kiedyś ponownie przeczytać moją starą odpowiedź, aby dowiedzieć się, dlaczego doszło do ciebie w ten sposób, ponieważ w innych pismach opisałem nawet przypadki pędu orbitalnego 0 jako klasyczne odpowiedniki prostej nurkowania elektronowego _przez_ jądro. Tak więc dzieje się tutaj jakaś nieporozumienie; Spróbuję dowiedzieć się, co to jest i naprawić.
#2
+16
Andrew
2012-04-28 22:44:51 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Elektrony można traktować zarówno jako cząstki, jak i fale ( wiki). Zasadniczo uznanie elektronów za cząstki jest niewystarczające do wyjaśnienia wielu obserwowanych zjawisk.

W tym przypadku cząstka tak naprawdę nie przeszłaby przez jądro, ale z pewnością mogłaby to zrobić fala. Weźmy na przykład orbital 2p, który jest wyśrodkowany wokół jądra z dwoma płatami. Funkcja falowa pozwala nam zwizualizować, gdzie jest większe prawdopodobieństwo znalezienia elektronu: (z PSU.edu)

2p Wave Function

Gęstość prawdopodobieństwa funkcja jest znaleziona przez podniesienie do kwadratu funkcji falowej, a plik PDF pokazuje, gdzie prawdopodobnie można zaobserwować elektron:

2p Electron Density Function

(przepraszam za mały rozmiar)

Z tego diagramu wynika więc, że prawdopodobieństwo rzeczywistego zaobserwowania elektronu w jądrze wynosi 0, chociaż elektron musi przejść przez jądro z boku na bok, co jest sednem twojego pytania. PDF zajmuje się głównie cząsteczkową naturą elektronu, ponieważ pokazuje, gdzie prawdopodobnie można go zaobserwować. Kiedy jednak elektron wykazuje cechy falowe, może przejść przez jądro, nie będąc w nim faktycznie znaleziony.

Najlepszą analogią, jaką mogę podać, jest to, że jeśli machasz skakanką w górę iw dół, nie możesz tak naprawdę wyizolować fali w skakance, ale nadal wyraźnie tam jest. Krótko mówiąc, cząstka nie przechodzi przez jądro, ale fala może i tak się dzieje.

@Georg, Wybrałem * p * -orbital, ponieważ wydaje się, że jest to najprostszy przypadek, w którym elektron musi przejść „przez” jądro, aby dostać się z jednego płata do drugiego. Kula z * s * -orbitalu nie wyglądała na tak dobrą ilustrację IMO. Jak najbardziej, opublikuj odpowiedź badającą * s * -orbital!
Rzecz w tym, że s-orbitale mają dodatnią gęstość elektronów w jądrze. Czy mechanika kwantowa nie jest dziwna?
#3
+12
CHM
2012-04-28 22:43:01 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Na przykład orbitale $ \ mathrm {p} $ mają płaszczyznę węzłową w miejscu jądra, co oznacza, że ​​gęstość elektronów jest tam zerowa.

Orbital nie reprezentuje ścieżki, którą poruszają się elektrony. Orbital to obszar prawdopodobieństwa. Aby było jasne i wyraźne, kiedy rysujemy orbital, rysujemy tylko region, w którym znajduje się 95% (na przykład) prawdopodobieństwa. Fakt, że orbitale $ \ mathrm {p} $ mają płaszczyznę węzłową po prostu oznacza, że ​​prawdopodobieństwo znalezienia elektronu na tej płaszczyźnie znika.

pozytywista uznałby zatem trajektorię elektronu wokół jądra za bezsensowną, ponieważ zgodnie z zasadą nieoznaczoności nigdy nie możemy jej zmierzyć.

Wykorzystanie orbitali służy do wizualizacji gęstości elektronów - gdzie może znajdować się elektron przez większość czasu? Jest to bardzo przydatny sposób interpretowania zjawisk, takich jak reaktywność chemiczna (pomyśl o $ \ mathrm {S_N2} $ ) lub stabilności (pomyśl o $ \ mathrm {p} $ orbitali).

Ale jak elektron może przejść z jednej strony na drugą? Czy po prostu krąży wokół jądra?
Tak nie jest. Mówienie o _lokalizacji_ elektronu ma sens tylko przy dokonywaniu pomiaru, którego akt powoduje załamanie funkcji falowej. Elektron może znajdować się po obu stronach w tym samym czasie. Sednem problemu jest interpretacja QM. [Tutaj] (http://www.physlab.lums.edu.pk/images/7/7a/Nodes.pdf) to bardzo ciekawa dyskusja na ten temat.
#4
+5
Kevin
2012-04-28 22:48:39 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Pamiętaj, że orbitale nie pokazują, gdzie elektrony, ale pokazują gęstość prawdopodobieństwa miejsca, w którym pomiar mógłby je znaleźć. Prawdopodobnie w skali dostatecznie blisko jądra (gdzie prawdopodobieństwo, że elektron jest niezwykle mały, na początku jest niezwykle małe, jądro wpływa na rzeczywistą funkcję falową elektronu w taki sposób, że albo nie mogą się pokrywać, albo jest nawet bardziej znikomo mały.

Jestem trochę zardzewiały, ale wierzę, że każdy orbital, z wyjątkiem jedynki, ma węzeł w płaszczyźnie lub na płaszczyźnie przechodzącej przez jądro.

Definiuje się, że funkcja falowa koncentruje się wokół jądra, więc jądro nie wpływa na funkcję falową elektronu, poza tym, że źródłem * jest * jądro. Każdy orbital ma jednak węzeł w jądrze.
@Andrew Jak sobie przypominam, potencjał użyty do wyprowadzenia orbitali wykorzystuje tylko siłę EM. W skali nuklearnej, czy silne i słabe siły nie zmienią tego?
najprawdopodobniej, ale czy nie przyciągną one elektronu do jądra, w przeciwieństwie do siły elektromagnetycznej? Funkcja falowa traktuje elektrony jako fale, a tym samym ignoruje siły jądrowe.
@Andrew: Wszystkie * s * orbitale mają * anty-węzeł * na początku.
#5
  0
Aniruddha Deb
2019-12-24 16:06:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Tutaj jest trochę rygorystycznej odpowiedzi. To było wyjaśnienie, które otrzymałem w szkole.

Zasada nieoznaczoności Heisenberga mówi, że $$ \ Delta x \ Delta v \ ge \ frac h {4 \ pi m } $$

Teraz jądro ma promień rzędu 10 $ ^ {- 15} $ m. Oznacza to, że aby elektron istniał w jądrze, $ \ Delta x $ musi znajdować się w obrębie $ 2 \ times 10 ^ {-15} $ mln. Podstawiając wartości i przyjmując równość jako przypadek ograniczający, otrzymujemy $$ \ Delta v = \ frac h {4 \ pi m \ Delta x} = \ frac {6.626 \ times 10 ^ {-34}} {4 \ pi \ times 9,1 \ times 10 ^ {- 31} \ times 2 \ times 10 ^ {15}} \ ok. 2,89 \ times 10 ^ {10} $$

Co jest około 100 razy większą prędkością niż światło. Jest to niemożliwe, stąd przez zaprzeczenie widzimy, że elektron nie może istnieć w jądrze .

Dla bardziej rygorystycznego podejścia matematycznego można założyć, że jądro jest kulą (tutaj założyłem, że jest to bardziej jednowymiarowa ścieżka). Następnie możesz zamienić $ \ Delta x $ na $ \ Delta \ vec r $ i ocenić zasadę nieoznaczoności w trzech wymiarach przy użyciu współrzędnych kartezjańskich lub sferycznych. Również w tych przypadkach uzyskasz podobną odpowiedź



To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...