Vetyatomien orbitaalit selitettynä: elektronipilvet, ei kiertoratoja.

Miksi planeettamalli ei toimi

Planeetta kulkee määrättyä rataa pitkin, jonka voisit piirtää lyijykynällä. Atomin elektroni ei kulje näin. Kvanttimekaniikka kuvaa sitä aaltofunktiolla, joka merkitään ψ:llä, ja mittaukseen liittyvä suure on |ψ|², todennäköisyystiheys. Se kertoo, kuinka todennäköisesti elektroni löytyy kunkin pisteen läheltä, jos etsit sitä.

Orbitaali ei siis ole rata. Se on kartta siitä, mistä elektroni todennäköisimmin löytyy. Kun näet sumuisen pilven, jonka keskipiste on tiheä, kirkkaammat alueet tarkoittavat suurempaa todennäköisyyttä, eivätkä pisteet kuvaa liikettä. Vedyllä esitetyt tilat ovat stationaarisia: pilvi ei pyöri, vaan se vain on olemassa.

Perustila: pallomainen pilvi

Vedyn pienimmän energian tilaa kutsutaan 1s-tilaksi. Sen pilvi on pallon muotoinen: se on tihein ytimen lähellä ja harvenee tasaisesti etäisyyden kasvaessa. Sillä ei ole tarkkaa reunaa. Pilvi muuttuu vain hyvin himmeäksi.

Pilven otanta tekee ajatuksesta konkreettisen. Valitse paljon satunnaisia paikkoja painottaen niitä |ψ|²:n mukaan, ja näkyviin ilmestyy pistepilvi. Yksittäinen piste ei merkitse mitään, mutta koko kuvio kertoo fysikaalisen sisällön.

Kolme kvanttilukua kuvaavat muodon.

Jokainen vedyn tila merkitään kokonaisluvuilla:

• n on pääkvantuluku (1, 2, 3, ...). Se määrää koon ja energian yleisesti.
• l saa arvoja nollasta lukuun n − 1 asti. Se määrää muodon: s (l = 0), p (l = 1), d (l = 2).
• m saa arvoja −l:stä +l:ään. Se määrää suunnan.

Kun n = 2, mahdollisia ovat 2s ja kolme 2p-orbitaalia. Kun n = 3, mukaan tulevat myös d-orbitaalit. Yhdistelmä n = 3, l = 2, m = 2 on sallittu, mutta yhdistelmä, jossa l on suurempi kuin n − 1, ei ole.

Simulaatio käyttää orbitaalien reaalilukuisia versioita, jotka muodostetaan ±m-tilojen yhdistelmistä. Ne ovat sallittuja stationaarisia tiloja, minkä vuoksi näet ulokkeita, jotka osoittavat tuttujen akselien suuntaan.

Solmut: paikat, joissa elektronia ei koskaan havaita.

Solmukohta on paikka, jossa aaltofunktio on nolla, joten elektronin löytämisen todennäköisyys siellä häviää. Niitä on kahta tyyppiä.

Radiaaliset solmukohdat

Nämä ovat tietyillä etäisyyksillä sijaitsevia pallomaisia kuoria. Niiden lukumäärä on n − l − 1. 2s-orbitaalilla on yksi: sisempi ja ulompi alue, joiden välissä on pallo, jossa tiheys on nolla. 2s-orbitaalilla tämä pallo sijaitsee säteellä 2a₀, missä a₀ on Bohrin säde.

Kulmasolmut

Nämä ovat tasoja tai kartioita, ja niitä on l kappaletta. 2p-orbitaalilla on yksi, ytimen läpi kulkeva taso. Kaksi lohkoa ovat vastakkaisilla puolilla, ja aaltofunktiolla on niissä vastakkaiset merkit.

Kuvien väri osoittaa ψ:n merkin, ei sähkövarausta. Merkillä on merkitystä, kun aallot menevät päällekkäin, ja tämä on kemiallisen sidoksen perusta.

Energia riippuu ainoastaan kvanttiluvusta n (tässä mallissa).

Vedyn yksinkertaisessa epärelativistisessa mallissa energia riippuu vain luvusta n:

Eₙ = −1/(2n²) Hartree

Negatiivinen merkki tarkoittaa, että elektroni on sidottu. Kun n kasvaa, energia nousee kohti nollaa ja pilvi kasvaa suuremmaksi. Tiloilla, joilla on sama n mutta eri l tai m, on erilaiset muodot mutta sama energia. Tätä tilannetta kutsutaan degeneroituneisuudeksi.

Tämä siisti tulos kuuluu yhden elektronin Coulombin malliin. Usean elektronin atomeissa tai kun hienorakenne tai ulkoiset kentät otetaan mukaan, eri muotojen energiat erkanevat toisistaan.

Yleisiä väärinkäsityksiä

• "Elektroni liikkuu pisteiden ympäri." Pisteet ovat todennäköisyyden näytteitä, eivät liikerata.
• "Pilvellä on terävä reuna." Se haalistuu vähitellen.
• "Punainen ja sininen tarkoittavat positiivista ja negatiivista varausta." Ne osoittavat aaltofunktion merkin.
• "Useampi lohko tarkoittaa aina suurempaa energiaa." Vedyn yksinkertaisessa mallissa energia riippuu luvusta n.
• "Kvanttifysiikassa voi tapahtua mitä tahansa." Todennäköisyydet ovat tarkkoja ja laskettavissa.

Miten tätä voidaan tutkia laboratoriossa?

Kvanttilaboratorio on yksinkertaistettu opetusmalli, mutta pilvet perustuvat todellisiin vedyn aaltofunktioihin. Ehdotettu ilmaistuntien järjestys:

1. Pilvi on todennäköisyys tutustuttaa 1s-tilaan.
2. Pallomainen solmukohta auttaa löytämään 2s-tilan tyhjän kuoren.
3. Kaksi lohkoa ja taso käsittelee 2p-orbitaalia.
4. Lisää rakennetta, sama sääntö käsittelee tapausta n = 3.
5. Eri muodot, yksi energia auttaa vertailemaan energiatasoja.

Ennen tätä käsiteltäviin kuoriin ja sidoksiin hyvä apu on Kemi laboratorio.