Модель атома шредингера кратко

Обновлено: 02.07.2024

Презентация на тему: " Строение атома Квантовая теория строения атома. Модели атома Модель атома Томсона Модель атома Резерфорда Модель атома Бора Модель атома Шрёдингера." — Транскрипт:

1 Строение атома Квантовая теория строения атома

2 Модели атома Модель атома Томсона Модель атома Резерфорда Модель атома Бора Модель атома Шрёдингера

5 Модель атома Резерфорда Так должно было происходить рассеяние α-частиц в атоме Томсона Такое рассеяние α-частиц наблюдал Резерфорд на опыте

6 Трудности модели Резерфорда Согласно модели атома Резерфорда атом должен непрерывно излучать свет всех длин волн. Но на опыте были обнаружены линейчатые спектры излучения атомов.

7 Модель атома Бора 1 постулат: В устойчивом атоме электрон может двигаться лишь по особым стационарным орбитам, не излучая при этом электромагнитной энергии. 2 постулат: Излучение света атомом происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией.

8 Правило квантования орбит На длине окружности каждой стационарной орбиты укладывается целое число n длин волн де Бройля, соответствующих движению электрона.

9 Правило квантования орбитального момента импульса На стационарной орбите момент импульса электрона квантуется (кратен постоянной Планка)

10 Радиусы стационарных орбит Радиусы стационарных орбит квантованы (имеют дискретные значения, пропорциональные квадрату главного квантового числа).

11 Энергетический спектр атома Энергия электрона в атоме квантуется

12 Излучение и поглощение света атомом Энергия излучённого фотона равна разности энергий стационарных состояний:

13 Серии излучения атома водорода Серия Бальмера состоит из видимых спектральных линий фиолетового, синего, зелёного и красного цвета.

14 Спектры излучения Сплошной (непрерывный) спектр излучают твердые тела, жидкости и сжатые газы.

15 Спектры излучения Полосатый спектр дают молекулы газов

16 Спектры излучения Линейчатый спектр создают разреженные газы в атомарном состоянии

18 Наблюдение спектров Схема спектроскопа

19 Применение спектрального анализа Определение химического состава сложных веществ В криминалистике Определение химического состава небесных объектов Определение физических характеристик небесных объектов В металлургической и горно - добывающей промышленности

20 Трудности модели атома Бора Теория Бора могла описать только атом водорода и водородоподобные системы. Рассчитать спектр излучения уже атома гелия эта теория не могла.

21 Квантово-механическая модель атома В 1924 г. немецкий физик Эрвин Шрёдингер предложил современную модель атома. В основе этой модели вероятностный подход. Положение электрона в атоме может быть определено лишь с некоторой долей вероятности (согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга). Понятие орбиты исчезло, появилось понятие об электронных облаках.

22 Атом Томсона Атом Резерфорда Атом Бора Атом Шрёдингера Особенности Недостатки Атом – равномерно положительно заряженная сфера, электроны - внутри этой сферы В центре атома – положительно заряженное ядро малых размеров, электроны вращаются по орбитам вокруг ядра Электрон, двигаясь по стационарной орбите, не излучает Определить положение электрона в атоме можно только с некоторой долей вероятности Не выдержал экспериментально го подтверждения опытом Резерфорда Необъяснима устойчивость атома, линейчатость спектров атомов и других явлений Невозможно описать строение любого другого атома, кроме водорода Недостатков нет

23 Виды излучения Тепловое излучение Люминесценция катодолюминесценция фотолюминесценция хемилюминесценция флуоресценция фосфоресценция

24 Виды излучения Спонтанное Индуцированное

25 Лазер Свойства лазерного излучения Узкая направленность Высокая монохроматичность Пространственная и временная когерентность Высокая мощность

26 Схема работы рубинового лазера Накачка с помощью газосветной трубки Трехуровневая схема работы

27 Гелий – неоновый лазер 1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0,1 %; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1-2 %.

28 Схема работы гелий-неонового лазера Активным газом, на котором возникает генерация на длине волны 632,8 нм (ярко- красный свет) в непрерывном режиме, является неон. Гелий является буферным газом, он участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней неона. Излучение He–Ne лазера обладает исключительной, непревзойденной монохроматичностью. Время когерентности такого излучения оказывается порядка с, а длина когерентности м, т. е. больше диаметра земной орбиты!

Атомная модель Шредингера Он был разработан Эрвином Шредингером в 1926 году. Это предложение называется квантово-механической моделью атома и описывает волновое поведение электрона..

Для этого выдающийся австрийский физик был основан на гипотезе Бройля, который заявил, что каждая движущаяся частица связана с волной и может вести себя так.


Шредингер предположил, что движение электронов в атоме соответствует дуальности волны и частицы, и, следовательно, электроны могут быть мобилизованы вокруг ядра в виде стоячих волн..

Шредингер, который был удостоен Нобелевской премии в 1933 году за вклад в атомную теорию, разработал одноименное уравнение для расчета вероятности того, что электрон окажется в определенной позиции..

  • 1 Характеристики атомной модели Шредингера
  • 2 Эксперимент
    • 2.1 Эксперимент Юнга: первая демонстрация дуальности волны-частицы
    • 2.2 Уравнение Шредингера

    Характеристики атомной модели Шредингера


    -Описывает движение электронов как стоячих волн.

    -Электроны движутся постоянно, то есть они не имеют фиксированного или определенного положения внутри атома.

    -Эта модель не предсказывает местоположение электрона и не описывает маршрут, который он совершает внутри атома. Он только устанавливает зону вероятности для обнаружения электрона.

    -Эти области вероятности называются атомными орбиталями. Орбитали описывают движение переноса вокруг ядра атома.

    -Эти атомные орбитали имеют разные уровни и подуровни энергии и могут быть определены между электронными облаками.

    -Модель не рассматривает стабильность ядра, а относится только к объяснению квантовой механики, связанной с движением электронов внутри атома..

    эксперимент

    Атомная модель Шредингера основана на гипотезе Бройля и предыдущих атомных моделях Бора и Зоммерфельда..

    Для этого Шредингер опирался на эксперимент Юнга и на основе собственных наблюдений разработал математическое выражение, носящее его имя..

    Следуя научным основам этой атомной модели:

    Эксперимент Юнга: первая демонстрация волновой двойственности

    Гипотеза Бройля о волнообразной и корпускулярной природе материи может быть продемонстрирована экспериментом Янга, также известным как эксперимент с двумя щелями..

    Английский ученый Томас Янг заложил основы атомной модели Шредингера, когда в 1801 году он провел эксперимент, чтобы проверить волновую природу света.

    Во время своих экспериментов Янг разделил излучение луча света, который проходит через небольшое отверстие через камеру наблюдения. Это разделение достигается за счет использования 0,2-миллиметровой карты, расположенной параллельно балке..

    Дизайн эксперимента был сделан таким образом, чтобы луч света был шире, чем карточка, поэтому при размещении карточки горизонтально луч делился на две примерно равные части. Выход световых лучей направлялся зеркалом.

    Оба луча света попали в стену темной комнаты. Там картина интерференции между обеими волнами была очевидна, с которой было продемонстрировано, что свет может вести себя так же, как частица, как волна.


    Спустя столетие Альберт Эйнстен подкрепил идею принципами квантовой механики..

    Уравнение Шредингера

    Шредингер разработал две математические модели, дифференцируя происходящее в зависимости от того, изменяется ли квантовое состояние во времени или нет.

    Для атомного анализа Шредингер опубликовал в конце 1926 года независимое от времени уравнение Шредингера, основанное на волновых функциях, которые ведут себя как стоячие волны..

    Это означает, что волна не движется, ее узлы, то есть ее точки равновесия, служат опорой для остальной части структуры, чтобы двигаться вокруг них, описывая определенную частоту и амплитуду.

    Шредингер определил волны, которые описывают электроны как стационарные или орбитальные состояния и связаны, в свою очередь, с различными уровнями энергии.

    Уравнение Шредингера, не зависящее от времени, выглядит следующим образом:


    Е: константа пропорциональности.

    Ψ: волновая функция квантовой системы.

    Η: Гамильтонов оператор.

    Не зависящее от времени уравнение Шредингера используется, когда наблюдаемая, представляющая полную энергию системы, известную как гамильтонов оператор, не зависит от времени. Однако функция, которая описывает полное движение волны, всегда будет зависеть от времени.

    Уравнение Шредингера показывает, что если у нас есть волновая функция Ψ и на нее действует гамильтонов оператор, константа пропорциональности E представляет полную энергию квантовой системы в одном из ее стационарных состояний.

    Применительно к атомной модели Шредингера, если электрон движется в определенном пространстве, существуют дискретные значения энергии, и если электрон движется свободно в пространстве, существуют непрерывные интервалы энергии.

    С математической точки зрения, есть несколько решений для уравнения Шредингера, каждое решение предполагает различное значение для константы пропорциональности E.

    Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, невозможно оценить положение или энергию электрона. Следовательно, ученые признают, что оценка местоположения электрона внутри атома является неточной.

    постулаты

    Постулаты атомной модели Шредингера таковы:

    -Электроны ведут себя как стоячие волны, которые распределены в пространстве в соответствии с волновой функцией Ψ.

    -Электроны движутся внутри атома при описании орбиталей. Это области, где вероятность обнаружения электрона значительно выше. Приведенная вероятность пропорциональна квадрату волновой функции Ψ 2 .

    Электронная конфигурация атомной модели Шредингера объясняет периодические свойства атомов и связей, которые образуют.

    Однако модель атома Шредингера не рассматривает спин электронов и не учитывает изменения поведения быстрых электронов из-за релятивистских эффектов..

    Ключевые слова: атом, корпускулярно-волновые свойства атомов, принцип неопределенности, квантовые числа, орбиталь, уровни и подуровни орбиталей.

    Атом - химически неделимая единица вещества и представляет собой сложную электронейтральную микросистему находящихся в движении элементарных частиц. Характеристики основных элементарных частиц атома:

    Частица протон нейтрон электрон
    Масса, а.е.м. 1,00728 1,00866 5,4858 10 -4
    Заряд, отн. ед. + 1 - 1

    Главное квантовое число – n - принимает только целые положительные значения n = 1, 2, 3…∞. С увеличением n энергия и размер электронного облака (атомной орбитали) возрастает. Совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением n называют уровнем или электронным слоем. Максимально возможное число орбиталей и электронов на уровне, соответственно равны - n 2 и 2n 2 .

    Орбитальное квантовое число l определяет значения орбитального момента количества движения электрона и принимает значения от 0 до (n-1), например, при n = 3: l = 0, 1, 2. Характеризует форму атомных орбиталей (электронных облаков), для которых в зависимости от l приняты соответствующие обозначения: l 0, 1, 2, 3, 4, 5…

    обозначение s, p, d, f, g, h…

    s - Орбиталь (s – электронное облако) имеет шарообразную форму. При l=1 зона вероятностного распределения электронов представляет собой гантелеобразное облако с центром в ядре (р-орбиталь). У d - орбитали (l = 2) и f - орбитали (l= 3) форма электронных облаков еще более сложная. Совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением n и l называют подуровнем или электронной подоболочкой. Число возможных орбиталей и электронов в пределах подуровня, соответственно равны - (2l+1) и 2(2l+1).




    Магнитное квантовое число - ml – может принимать положительные и отрицательные целочисленные значения от –l до +l через нуль. В зависимости от значений ml определяются возможные ориентации орбиталей одной формы и их число, которое равно количеству значений ml. Так, для s - орбиталей (l = 0, ml = 0), возможна одна ориентация, поскольку шар симметричен относительно трех осей ординат. Для р - орбиталей (l=1, ml = -1, 0, +1), что соответствует трем ориентациям р - орбиталей относительно трех осей. Для d - орбиталей (l=2, ml = -2, -1, 0, +1, +2) число возможных ориентаций – пять, для f – орбиталей - семь.

    Спиновое (ms) квантовое число характеризует сложное движение электрона вокруг собственной оси; принимает значения +1/2 и –1/2.

    Контрольные вопросы:

    1. Как вы понимаете корпускулярно-волновые свойства атомов?

    2. Что такое орбиталь? Физический смысл Ψ 2 ? Типы орбиталей?

    3. Квантовые числа, что они описывают?

    4. Что такое энергетический (электронный) уровень, подуровень?

    Рекомендуемая литература:

    1. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Н.Л. Глинка. - М.: КНОРУС, 2009. - с. 60 - 88.

    2. Коровин Н.В. Общая химия. Учебник для технических направ. и спец. Вузов - 7-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2006 - с. 17 – 25.

    Н.М. Шаймарданов

    ПО ДИСЦИПЛИНЕ

    КРАТКИЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

    Н.М. Шаймарданов, Л.Е.Салова

    Ключевые слова: атом, корпускулярно-волновые свойства атомов, принцип неопределенности, квантовые числа, орбиталь, уровни и подуровни орбиталей.

    Атом - химически неделимая единица вещества и представляет собой сложную электронейтральную микросистему находящихся в движении элементарных частиц. Характеристики основных элементарных частиц атома:

    Частица протон нейтрон электрон
    Масса, а.е.м. 1,00728 1,00866 5,4858 10 -4
    Заряд, отн. ед. + 1 - 1

    Главное квантовое число – n - принимает только целые положительные значения n = 1, 2, 3…∞. С увеличением n энергия и размер электронного облака (атомной орбитали) возрастает. Совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением n называют уровнем или электронным слоем. Максимально возможное число орбиталей и электронов на уровне, соответственно равны - n 2 и 2n 2 .

    Орбитальное квантовое число l определяет значения орбитального момента количества движения электрона и принимает значения от 0 до (n-1), например, при n = 3: l = 0, 1, 2. Характеризует форму атомных орбиталей (электронных облаков), для которых в зависимости от l приняты соответствующие обозначения: l 0, 1, 2, 3, 4, 5…

    обозначение s, p, d, f, g, h…

    s - Орбиталь (s – электронное облако) имеет шарообразную форму. При l=1 зона вероятностного распределения электронов представляет собой гантелеобразное облако с центром в ядре (р-орбиталь). У d - орбитали (l = 2) и f - орбитали (l= 3) форма электронных облаков еще более сложная. Совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением n и l называют подуровнем или электронной подоболочкой. Число возможных орбиталей и электронов в пределах подуровня, соответственно равны - (2l+1) и 2(2l+1).

    Магнитное квантовое число - ml – может принимать положительные и отрицательные целочисленные значения от –l до +l через нуль. В зависимости от значений ml определяются возможные ориентации орбиталей одной формы и их число, которое равно количеству значений ml. Так, для s - орбиталей (l = 0, ml = 0), возможна одна ориентация, поскольку шар симметричен относительно трех осей ординат. Для р - орбиталей (l=1, ml = -1, 0, +1), что соответствует трем ориентациям р - орбиталей относительно трех осей. Для d - орбиталей (l=2, ml = -2, -1, 0, +1, +2) число возможных ориентаций – пять, для f – орбиталей - семь.

    Спиновое (ms) квантовое число характеризует сложное движение электрона вокруг собственной оси; принимает значения +1/2 и –1/2.

    Контрольные вопросы:

    1. Как вы понимаете корпускулярно-волновые свойства атомов?

    2. Что такое орбиталь? Физический смысл Ψ 2 ? Типы орбиталей?

    3. Квантовые числа, что они описывают?

    4. Что такое энергетический (электронный) уровень, подуровень?

    Рекомендуемая литература:

    1. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Н.Л. Глинка. - М.: КНОРУС, 2009. - с. 60 - 88.

    2. Коровин Н.В. Общая химия. Учебник для технических направ. и спец. Вузов - 7-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2006 - с. 17 – 25.


    Планетарная квантово-механическая модель атома Бора часто запоминается за счет аккуратной и знакомой картины электронов. Они вращаются вокруг центрального ядра, подобно планетам вокруг Солнца. Из-за этого может быть сложно заменить картину той, которая более точно представляет квантово-механическую модель атома, используемую современными физиками.

    Как располагается и движется атом?

    Атом обладает крошечным ядром и волнами острых орбит. Расположение и движение электронов описывается волнами их материи. Эти структуры предсказывают вероятность нахождения электрона в данной области атома. Но откуда появилась квантово механическая модель атома Бора?

    Планетарная модель положила начало процессу введения квантовой теории в структуру атома. Бор ввел идею стационарных состояний, в которых атом был устойчив. Переходы между этими состояниями объясняли существование спектральных линий. В случае водорода он смог получить энергетические уровни:

    1. Переходы между его энергетическими уровнями соответствовали линиям в водородном спектре.
    2. Его модель не могла предсказать уровни энергии для любых других атомов (хотя уровни водородоподобных щелочных металлов можно было бы приблизить к истине).

    Отдельно проводились работы Гейзенберга и Шредингера, чтобы придумать способы более полного описания квантованных энергетических уровней атомов.

    Аналогии Гейзенберга и Шредингера: как они привели уравнение к доказательству волны

    Квантово-механическая модель строения атома обладает уникальным набором свойств. Гейзенберг использовал матрицы, а Шредингер разработал волновое уравнение, чтобы доказать абсолютность разницы в поведении кванта. Детальнее двоякость частицы показана на видео.

    Уравнения Шредингера обеспечивают представление плотности картины вероятности электронов вокруг ядра атома. Большинство определений квантовой теории и квантовой механики предлагают одинаковое описание для обоих. Они по существу описывают квантовую теорию, в которой и энергия, и материя имеют характеристики волн в одних условиях и характеристики частиц — в других.

    Чтобы идея была понятней, люди стали проводить эксперименты в условиях мысленного посыла.

    1. Квантовая теория предполагает, что энергия приходит в дискретных пакетах, называемых квантами (или — в случае электромагнитного излучения — фотонами).
    2. Квантовая теория имеет некоторое математическое развитие, часто называемое квантовой механикой, которая предлагает объяснения поведения электронов внутри электронных облаков атомов.


    Основные положения квантово механической модели строения атома — это двойственность волн электронов в электронном облаке, которая ограничивает нашу способность одновременно измерять энергию и положение электрона.

    Скрытые особенности электронов


    Чем точнее мы измеряем энергию или положение электрона, тем меньше мы знаем о другом. Мы не можем точно отметить одновременно положение и импульс электрона. Это приводит к невозможности предсказать траекторию для частицы. Следовательно, поведение электрона описывается иначе, чем поведение частиц нормального размера. Необходимо знать:

    • Наиболее распространенным способом описания электронов в атомах в соответствии с квантовой механикой является решение уравнения Шредингера для энергетических состояний электронов этом облаке.
    • Когда электрон находится в этих состояниях, его энергия четко определена, а положение — нет.
    • Положение описывается картой распределения вероятностей, называемой орбитальной.

    Траектория, которую мы обычно связываем с макроскопическими объектами, заменяется электронами в облаках электронов, причем в статистических описаниях указывается не путь, а область, в которой он найден. Поскольку именно электрон в облаке электронов атома определяет его химическое поведение, для понимания химии необходимо описание конфигурации электронов в ключе квантово-механической модели атома.

    Принцип неопределенности Гейзенберга: область внутри атома


    Луи де Бройль предложил, чтобы все частицы можно было рассматривать, как материальные волны с длиной волны — лямбда, определяемая следующим уравнением:

    Лямбда = фактическое время (час) + милливольтчас

    Эрвин Шредингер предложил квантово-механическую модель атома. Кратко: она рассматривает электроны, как волны вещества.

    Квадрат волновой функции представляет вероятность нахождения электрона в данной области внутри атома. Атомная орбита определяется, как область внутри атома, которая находится там, где электрон.

    Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что мы не можем знать ни энергию, ни положение электрона. Поэтому, когда мы больше узнаем о положении электрона, мы меньше знаем о его энергии, и наоборот. Электроны имеют внутреннее свойство, называемое спином. Любые два электрона, занимающие одну и ту же орбиту, должны иметь противоположные спины.

    Светоносный эфир в квантовом мире


    Сегодня эти области называют классической механикой и классической электродинамикой (или классическим электромагнетизмом).

    Как прогрессировала идея о внедрении новых понятий в физике


    К концу девятнадцатого века ученые рассматривали физическую вселенную как приблизительно состоящую из двух отдельных областей:

    • материи, сформированной из частиц, движущихся согласно законам движения Ньютона;
    • электромагнитного излучения, состоящего из волн, управляемых уравнениями Максвелла.

    Парадоксы привели к современной структуре квантово-механической модели атома Шредингера, которая тесно связывает частицы и волны на фундаментальном уровне, называемом дуальностью волны-частицы, которая заменила классический взгляд.

    Дискретная волна Бора: как ведут себя спектры излучения водорода

    Согласно модели Бора, спектры излучения различных элементов содержат дискретные линии. Представить видимую область спектров излучения водорода можно при помощи таблицы.

    Основное квантовое число Количество подуровней Количество электронов 1 1 2 2 2 8 3 3 18 4 4 32

    Это схематическое представление квантов, где известно число электронов и уровней. В жизни в условиях вакуума точно нельзя сказать ограничение по подуровням, но их не может быть больше 7. Квантованные спектры излучения указывали Бору, что электроны могут существовать внутри атома только при определенных атомных радиусах и энергиях.


    Построив модель, Бор вывел уравнение, которое правильно предсказывало различные уровни энергии в атоме водорода. Квантовая механическая модель подходила только для представления этого конкретного случая. Уровни соответствовали линиям излучения в спектре вещества.

    Модель Бора, которая доказала одноэлектронные системы водорода

    Скорость электрона на уровне энергии основного состояния водорода составляет 2,2×106 s÷m​, где s — длина, m — масса. Мы можем подставить постоянную, а также массу и скорость электрона в уравнение де Бройля. Но при этом он не смог объяснить электронную структуру в атомах, которые содержали более одного электрона.

    Если обратиться к химии, квантово-механическая модель атома водорода должна состоять только из протонов. При встрече с электронами или нейтронами частица начинает себя вести, как волна. В остальных случаях атомы другого вещества могут независимо от структуры вести себя подобно волнам или частицам. Если сказать кратко, квантово-механическая модель атома водорода представляет собой материальный дуализм волны, но не частицы.

    Наложение волн одну на другую: как не смешиваются пути пересечения атомов


    Радиоволны от мобильного телефона, рентгеновские снимки, используемые стоматологами, энергия, используемая для приготовления пищи в вашей микроволновой печи, лучистое тепло от раскаленных предметов и свет от экрана телевизора — все это формы электромагнитного излучения, которые проявляют волнообразное поведение. Необходимо запомнить:

    • Волна — это колебание или периодическое движение, которое может переносить энергию из одной точки пространства в другую.
    • Встряхивание конца веревки передает энергию от вашей руки к другому концу веревки; падение гальки в пруд приводит к волнам, распространяющимся вдоль поверхности воды; расширение воздуха, сопровождающее удар молнии, генерирует звуковые волны (гром), которые могут путешествовать наружу на несколько миль.
    • В каждом из этих случаев кинетическая энергия передается через вещество (веревку, воду или воздух), в то время как вещество остается на месте.

    Волны не должны быть ограничены, чтобы путешествовать сквозь материю. Как показал Максвелл, электромагнитные волны состоят из электрического поля, колеблющегося в такт с перпендикулярным магнитным полем. Они перпендикулярны направлению движения. Эти волны могут проходить через вакуум с постоянной скоростью 2,998 × 108 м/с, где с — скорость света.

    Читайте также: