Come può un elettrone muoversi attorno al nucleo con così tanta velocità?

Domanda

Un elettrone non si muove attorno a un nucleo. stai pensando al modello di Bohr dell'atomo, che si è rivelato inadeguato più di 100 anni fa. Questa e altre domande simili continuano a sorgere. Penso che sia ora di iniziare a leggere qualcosa sulla molecola per imparare tutti come funziona.

L'elettrone ha entrambe le proprietà simili a particelle (come l'idea che potrebbe muoversi attorno a un nucleo), e proprietà ondulatorie. In un atomo, mostra le sue proprietà ondulatorie nei livelli di energia di un atomo. Così, piuttosto che una particella in orbita intorno al nucleo, una migliore analogia con il modo in cui l'elettrone esiste in un atomo è pensare a un'onda stazionaria tridimensionale (armoniche sferiche). Solo determinate "lunghezze d'onda" funzioneranno per creare uno stato stabile. Tutte le altre lunghezze d'onda (Energie) si autodistruggerà.

potrebbe essere più facile pensare a un'onda stazionaria lineare (come in una corda di chitarra).

La modalità di vibrazione più semplice (n=1) è dove l'intera corda vibra avanti e indietro insieme. Questo è anche lo stato energetico vibrazionale più basso della corda. non esiste uno stato vibrazionale n=0.

Il prossimo stato energetico vibrazionale più alto (n=2) ha la corda che vibra verso l'alto ad un'estremità ma verso il basso all'altra estremità (le fasi delle due estremità sono opposte l'una all'altra). Questa modalità ha un punto sulla corda in cui la corda non vibra chiamato nodo.

Ogni stato successivamente superiore (n=3,4,5…) ha un nodo aggiuntivo quindi il numero di nodi è sempre n-1. Ciò rende la frequenza vibrazionale più alta ad ogni incremento del valore n e anche l'energia della vibrazione. La seguente grafica è stata rubata da Wikipedia Particella in una scatola – Wikipedia. Mostra l'idea di particella (UN) contro l'idea dell'onda (da B a F) di un sistema vibrazionale unidimensionale. il concetto di diversi stati energetici stabili è chiaro se si guarda a B,C,D (n=1,2,3, rispettivamente). È chiaro, guardando l'animazione che lo stato è stabile a quelle particolari lunghezze d'onda. se guardi l'animazione per E e F, puoi vedere che il sistema è piuttosto caotico e non stabile poiché la lunghezza d'onda non è corretta per il particolare sistema. le lunghezze d'onda che non sono stabili si annulleranno rapidamente, lasciando solo le vibrazioni stabili.

In due dimensioni, se hai mai sentito tamburi d'acciaio, quel sistema di nodi viene utilizzato per creare tutte le note che senti dall'unica superficie d'acciaio. ogni nota è una diversa energia di vibrazione con un diverso numero di nodi. il giocatore eccita la particolare modalità di vibrazione (nota musicale) colpendo la superficie al massimo di vibrazione di quella nota (non a un nodo).

In tre dimensioni, accade la stessa idea. Oltre al numero di nodi crescente con n, aumenta anche il numero di tipi di nodi. Dobbiamo introdurre nuovi numeri quantici per etichettare questi stati. il primo è l (l = 0,…n-1), che è più semplice da pensare come il numero di nodi di natura angolare (vanno a zero ad un certo angolo) e ml (-l,..0,..+l), che identifica l'orientamento dei nodi.

Così, per n=1, non c'è nessun nodo possibile quindi l = 0 e ml = 0

Per n=2, c'è un nodo possibile e potrebbe essere angolare (l=1) o sferico (l=0). lo stato rappresentato da l=0 ha un solo orientamento poiché è sferico (s orbitale) ma lo stato con l=1 ha ml = -1,0,+1, nel senso che ha tre diversi orientamenti (px, py, pz). Si noti che i valori di ml sono usati nello spazio complesso e non corrispondono allo spazio cartesiano x,e,z. Ecco un'altra illustrazione delle armoniche sferiche tridimensionali, usiamo per immaginare gli orbitali elettronici in un atomo.

Foto: https://en.wikipedia.org/wiki/Spherical_harmonics

La riga superiore è un orbitale s. l=0

Il prossimo è un insieme di tre orbitali p. l = 1

Il terzo è un insieme di 5 d orbitali l=2

La riga inferiore è l'insieme di 7 f orbitali l=3.

L'energia di ogni riga è degenere (significato uguale l'uno all'altro). Quindi se abbiamo un elettrone in un orbitale s, sarà diverso (minore) che se fosse in un orbitale p dello stesso livello n.

Immagina il colore diverso nel modo in cui vedi le vibrazioni unidimensionali sopra vibrare verso l'alto o verso il basso. I due colori rappresentano la fase dell'orbitale (Usiamo spesso a + o – segno per indicare la fase degli orbitali, non la carica).

C'è così tanto di cui parlare qui per quanto riguarda gli orbitali, ma il punto chiave è che NESSUNO di questi mostra elettroni in orbita attorno al nucleo. Mostrano che gli elettroni esistono come onde stazionarie 3D attorno al nucleo. Questo è un concetto completamente diverso.


Credito: Michael Mobourquette

 

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