อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ นิวเคลียสด้วยความเร็วมากได้อย่างไร?

อิเล็กตรอนไม่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส. คุณกำลังคิดถึงแบบจำลองอะตอมของบอร์, ซึ่งพิสูจน์แล้วว่าไม่เพียงพอมากกว่า 100 ปีที่แล้ว. คำถามนี้และคำถามอื่นที่คล้ายคลึงกันปรากฏขึ้นเรื่อยๆ. ฉันคิดว่าถึงเวลาที่เราจะเริ่มอ่านเล็กน้อยเกี่ยวกับโมเลกุลเพื่อเรียนรู้ว่ามันทำงานอย่างไร.

อิเล็กตรอนมีคุณสมบัติเหมือนอนุภาค (เหมือนกับความคิดที่ว่ามันอาจจะเคลื่อนที่ไปรอบๆ นิวเคลียส), และคุณสมบัติคล้ายคลื่น. ในอะตอม, มันแสดงคุณสมบัติคล้ายคลื่นในระดับพลังงานของอะตอม. ดังนั้น, แทนที่จะเป็นอนุภาคที่โคจรรอบนิวเคลียส, การเปรียบเทียบที่ดีกว่ากับการที่อิเล็กตรอนมีอยู่ในอะตอมคือการคิดถึงคลื่นนิ่งสามมิติ (ฮาร์โมนิกทรงกลม). "ความยาวคลื่น" บางอย่างเท่านั้นที่จะทำงานเพื่อสร้างสถานะที่เสถียร. ความยาวคลื่นอื่นๆ ทั้งหมด (พลังงาน) จะทำลายตัวเอง.

มันอาจจะง่ายกว่าที่จะนึกถึงคลื่นนิ่งเชิงเส้น (เหมือนอยู่ในสายกีตาร์).

โหมดการสั่นสะเทือนที่ง่ายที่สุด (n=1) เป็นที่ที่ทั้งสายสั่นสะเทือนไปมาด้วยกัน. นี่เป็นสถานะพลังงานต่ำสุดที่สั่นสะเทือนของสตริงด้วย. ไม่มีสถานะการสั่นสะเทือน n=0.

สถานะพลังงานสั่นสะเทือนสูงสุดถัดไป (n=2) มีสายสั่นขึ้นที่ปลายข้างหนึ่งแต่ลงที่ปลายอีกข้างหนึ่ง (เฟสของปลายทั้งสองอยู่ตรงข้ามกัน). โหมดนี้มีจุดหนึ่งบนสตริงที่สตริงไม่สั่นเรียกว่า node.

แต่ละรัฐที่สูงขึ้นตามลำดับ (n=3,4,5…) มีโหนดเพิ่มเติมหนึ่งโหนด ดังนั้นจำนวนโหนดจะเท่ากับ n-1 . เสมอ. สิ่งนี้ทำให้ความถี่การสั่นสะเทือนสูงขึ้นในแต่ละขั้นในค่า n และพลังงานของการสั่นสะเทือนด้วย. ภาพต่อไปนี้ถูกขโมยจาก Wikipedia อนุภาคในกล่อง – RSS เป็นเพียงไฟล์ข้อความธรรมดาที่มีข้อมูลอัปเดตพื้นฐาน—ข่าว. มันแสดงให้เห็นความคิดของอนุภาค (NS) กับความคิดคลื่น (B ถึง F) ของระบบสั่นสะเทือนแบบหนึ่งมิติ. แนวคิดของสถานะพลังงานคงตัวที่แตกต่างกันนั้นชัดเจนหากคุณดูที่ B,ค,NS (n=1,2,3, ตามลำดับ). ก็เป็นที่ชัดเจน, ดูแอนิเมชั่นที่สถานะคงที่ที่ความยาวคลื่นเฉพาะเหล่านั้น. หากคุณดูแอนิเมชั่นสำหรับ E และ F, คุณจะเห็นได้ว่าระบบค่อนข้างวุ่นวายและไม่เสถียรเนื่องจากความยาวคลื่นไม่ถูกต้องสำหรับระบบนั้นๆ. ความยาวคลื่นที่ไม่เสถียรจะตัดตัวเองออกอย่างรวดเร็ว, เหลือไว้แต่การสั่นสะเทือนที่มั่นคง.

ในสองมิติ, ถ้าคุณเคยได้ยินกลองเหล็ก, ระบบของโหนดนั้นใช้จดบันทึกทั้งหมดที่คุณได้ยินจากพื้นผิวเหล็กเส้นเดียว. แต่ละโน้ตเป็นพลังงานการสั่นสะเทือนที่แตกต่างกันโดยมีจำนวนโหนดต่างกัน. ผู้เล่นตื่นเต้นกับโหมดการสั่นสะเทือนโดยเฉพาะ (โน้ตดนตรี) โดยการกระแทกพื้นผิวที่แรงสั่นสะเทือนสูงสุดของโน้ตตัวนั้น (ไม่ได้อยู่ที่โหนด).

ในสามมิติ, ความคิดเดียวกันก็เกิดขึ้น. นอกจากจำนวนโหนดที่เพิ่มขึ้นด้วย n, จำนวนประเภทของโหนดก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน. เราจำเป็นต้องแนะนำตัวเลขควอนตัมใหม่เพื่อระบุสถานะเหล่านี้. ที่แรกก็คือ l (l = 0,… n-1), ที่คิดง่ายที่สุดคือจำนวนโหนดที่เป็นมุมในธรรมชาติ (พวกเขาไปที่ศูนย์ในมุมหนึ่ง) และมล (-l,..0,..+l), ซึ่งระบุทิศทางของโหนด.

ดังนั้น, สำหรับ n=1, ไม่มีโหนดที่เป็นไปได้ดังนั้น l = 0 และมล = 0

สำหรับ n=2, มีโหนดเดียวที่เป็นไปได้และอาจเป็นเชิงมุม (ล=1) หรือทรงกลม (ล=0). สถานะที่แสดงโดย l=0 มีทิศทางเดียวเท่านั้นเนื่องจากเป็นทรงกลม (s orbital) แต่สถานะที่มี l=1 มี ml = -1,0,+1, ความหมายมีสามทิศทางที่แตกต่างกัน (px, พาย, pz). โปรดทราบว่าค่าของ ml ถูกใช้ในปริภูมิเชิงซ้อนและไม่สอดคล้องกับปริภูมิคาร์ทีเซียน x,Y,z. นี่เป็นอีกหนึ่งภาพประกอบของฮาร์โมนิกทรงกลมสามมิติ, เราใช้จินตนาการถึงออร์บิทัลอิเล็กทรอนิกส์ในอะตอม.

รูปถ่าย: https://en.wikipedia.org/wiki/Spheric_harmonics

แถวบนสุดคือ s orbital. ล=0

ต่อไปเป็นเซตของออร์บิทัลสามพี. ล = 1

ที่สามคือชุดของ 5 d ออร์บิทัล l=2

แถวล่างสุดคือเซตของ 7 f ออร์บิทัล l=3.

พลังงานแต่ละแถวเสื่อมลง (มีความหมายเหมือนกัน). ถ้าเรามีอิเล็กตรอนอยู่ใน s oribital, มันจะแตกต่างกัน (ต่ำกว่า) กว่าถ้ามันอยู่ใน p orbital ของระดับ n เดียวกัน.

ลองนึกภาพสีที่ต่างกันในวิธีที่คุณเห็นการสั่นแบบหนึ่งมิติด้านบนสั่นขึ้นหรือลง. ทั้งสองสีแสดงถึงเฟสของออร์บิทัล (เรามักใช้ a + หรือ – เครื่องหมายหมายถึงเฟสของออร์บิทัล, ไม่ใช่ค่าใช้จ่าย).

มีเรื่องมากมายที่จะพูดถึงที่นี่เกี่ยวกับออร์บิทัล แต่ประเด็นสำคัญคือไม่มีอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส. แสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนมีอยู่ในรูปคลื่นนิ่ง 3 มิติรอบนิวเคลียส. นั่นเป็นแนวคิดที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง.

เครดิต: ไมเคิล มอมเบิร์ก