מהו בעצם המבנה של האטום לפי מכניקת הקוונטים?
- פותח הנושא sivan120
- פורסם בתאריך
החתול של שרדינגר
New member
כמעט נכון
התיאור תלוי ברמת הפירוט שאת רוצה להכנס אליו.
הגרעין מורכב, כמו שאמרת, מפרוטונים ונויטרונים. מה שמחזיק אותם יחד הוא הכח החזק. לפרוטונים מטען חשמלי חיובי והניוטרונים חסרי מטען חשמלי ולכן לגרעין מטען חשמלי כולל חיובי. המטען הזה יוצר שדה חשמלי. מתוך השדה החשמלי הזה ניתן למצוא, ע"י משוואת שרדינגר, אילו מצבים מותרים למטען שלילי בקרבתם. המצבים האלה נקראים אורבטלים וכל אחד יכול לאכלס שני אלקטרונים (בעלי ספינים הפוכים). לאלקטרון יש אנרגיה פוטנציאלית שתלויה באורביטל בו הוא נמצא. יש אורביטלים שונים בעלי אנרגיות זהות (למשל 2px,2py,2pz) - זה מה שנקרא מצבים מנוונים. במילים אחרות, יש רמות אנרגיה שמכילות מספר אורביטלים (שונים בצורה, זהים באנרגיה) ויש רמות אנרגיה שמורכבות רק מאורביטל אחד (למשל 1s). הערכים בויקיפדיה מסבירים את זה מאד יפה.
התיאור תלוי ברמת הפירוט שאת רוצה להכנס אליו.
הגרעין מורכב, כמו שאמרת, מפרוטונים ונויטרונים. מה שמחזיק אותם יחד הוא הכח החזק. לפרוטונים מטען חשמלי חיובי והניוטרונים חסרי מטען חשמלי ולכן לגרעין מטען חשמלי כולל חיובי. המטען הזה יוצר שדה חשמלי. מתוך השדה החשמלי הזה ניתן למצוא, ע"י משוואת שרדינגר, אילו מצבים מותרים למטען שלילי בקרבתם. המצבים האלה נקראים אורבטלים וכל אחד יכול לאכלס שני אלקטרונים (בעלי ספינים הפוכים). לאלקטרון יש אנרגיה פוטנציאלית שתלויה באורביטל בו הוא נמצא. יש אורביטלים שונים בעלי אנרגיות זהות (למשל 2px,2py,2pz) - זה מה שנקרא מצבים מנוונים. במילים אחרות, יש רמות אנרגיה שמכילות מספר אורביטלים (שונים בצורה, זהים באנרגיה) ויש רמות אנרגיה שמורכבות רק מאורביטל אחד (למשל 1s). הערכים בויקיפדיה מסבירים את זה מאד יפה.
דיברת על מצבים מותרים...
אני מבינה שעדיין מדברים על מסלולים מסביב לאטום (אורביטל הוא מלשון אורביט, מסלול, לא?), ושרמות הארגיה, להם פעם קראו
קליפות, ככל שהם יותר רחוקות מהאטום, כך הם מכילות יותר אורביטליים- אני שואלת את זה כי אתה כתבת מצבים ולא מסלולים.
כמו כן צירפתי את התמונה בויקיפדיה- מה אומרת הנקודה באמצע מה שמייצג את האורביטלים, בכלל מה אומר הסירטוט השונה בין האורביטלים?
אני מבינה שעדיין מדברים על מסלולים מסביב לאטום (אורביטל הוא מלשון אורביט, מסלול, לא?), ושרמות הארגיה, להם פעם קראו
קליפות, ככל שהם יותר רחוקות מהאטום, כך הם מכילות יותר אורביטליים- אני שואלת את זה כי אתה כתבת מצבים ולא מסלולים.
כמו כן צירפתי את התמונה בויקיפדיה- מה אומרת הנקודה באמצע מה שמייצג את האורביטלים, בכלל מה אומר הסירטוט השונה בין האורביטלים?
uzi2
Active member
זה לא ממש נכון להסתכל על האלקטרונים כאילו הם
נעים במעין מסלולים סביב הגרעין.
אלקטרון שנע סביב הגרעין ושהאנרגיה שלו ידועה, יהיה יותר נכון לתאר אותו לא כחלקיק שמסתובב סביב הגרעין, אלא יותר כעננה שנמצאת סביב הגרעין (הסתכלות יותר גלית מאשר חלקיקית). הצורות של העננות האלו, הן הצורות שהצגת בתמונות. לתצורות האלו של העננות קוראים אורביטלים, אבל זה לא בדיוק סיבוב במובן של גוף שמסתובב סביב גוף אחר.
נעים במעין מסלולים סביב הגרעין.
אלקטרון שנע סביב הגרעין ושהאנרגיה שלו ידועה, יהיה יותר נכון לתאר אותו לא כחלקיק שמסתובב סביב הגרעין, אלא יותר כעננה שנמצאת סביב הגרעין (הסתכלות יותר גלית מאשר חלקיקית). הצורות של העננות האלו, הן הצורות שהצגת בתמונות. לתצורות האלו של העננות קוראים אורביטלים, אבל זה לא בדיוק סיבוב במובן של גוף שמסתובב סביב גוף אחר.
החתול של שרדינגר
New member
קצת סדר במונחים
מצב זה מונח כללי (לכל מערכת קוונטית), אורביטל זה השם למצבים באטום המימן. כמו שעוזי אומר, לא נכון להסתכל על אורבטיל כמו על מסלול תנועה. אני נוהג לחשוב עליו כמו על ג'לי שהאלטקרון מפוזר בכולו (כמו שסוכר מפוזר בכל צלוחית הפודינג שהייתי רוצה לאכול עכשיו
).
האיור מויקיפדה מציג (משמאל לימין) את חמשת האורביטלים עם האנרגיות הכי נמוכות (1s,2s,2px,2py,2pz). בכל אחד מהם הגרעין נמצא באמצע (לא מצוייר) והצורה מתארת את איפה האלקטרון נמצא (למי שרוצה לדקדק, איפה יש סיכוי גבוה למצוא את האלקטרון). כמו שאת רואה, ב-1s (הכי שמאלי), האלקטרון נמצא הכי קרוב לגרעין. זה המצב עם האנרגיה הכי נמוכה. ב-2s האנרגיה יותר גבוהה מ-1s, אבל פחות גבוהה מהשאר (קשה לראות את זה מהציור). שימי לב ששלושת המצבים האחרים הם זהים, עד כדי סיבוב. לכן יש להם את אותה אנרגיה. הצבעים מייצגים את הפאזה של פונקציית הגל, משהו שלא רלוונטי כרגע.
אם נחזור עכשיו למונחים שהזכרת: אורביטל = מצב, קליפה = אוסף אורביטלים בעלי אנרגיה זהה. כל אורביטל יכול לאכלס שני אלקטרונים. לכן, כאן יש לנו שלוש קליפות. הראשונה מורכבת רק מ-1s, ויכולה לאכלס 2 אלק'. השניה מורכבת רק מ-2s ויכולה לאכלס 2 אלק'. השלישית מורכבת מ- 2px, 2py, 2pz ויכולה לאכלס סה"כ 6 אלקטרונים.
מצב זה מונח כללי (לכל מערכת קוונטית), אורביטל זה השם למצבים באטום המימן. כמו שעוזי אומר, לא נכון להסתכל על אורבטיל כמו על מסלול תנועה. אני נוהג לחשוב עליו כמו על ג'לי שהאלטקרון מפוזר בכולו (כמו שסוכר מפוזר בכל צלוחית הפודינג שהייתי רוצה לאכול עכשיו
האיור מויקיפדה מציג (משמאל לימין) את חמשת האורביטלים עם האנרגיות הכי נמוכות (1s,2s,2px,2py,2pz). בכל אחד מהם הגרעין נמצא באמצע (לא מצוייר) והצורה מתארת את איפה האלקטרון נמצא (למי שרוצה לדקדק, איפה יש סיכוי גבוה למצוא את האלקטרון). כמו שאת רואה, ב-1s (הכי שמאלי), האלקטרון נמצא הכי קרוב לגרעין. זה המצב עם האנרגיה הכי נמוכה. ב-2s האנרגיה יותר גבוהה מ-1s, אבל פחות גבוהה מהשאר (קשה לראות את זה מהציור). שימי לב ששלושת המצבים האחרים הם זהים, עד כדי סיבוב. לכן יש להם את אותה אנרגיה. הצבעים מייצגים את הפאזה של פונקציית הגל, משהו שלא רלוונטי כרגע.
אם נחזור עכשיו למונחים שהזכרת: אורביטל = מצב, קליפה = אוסף אורביטלים בעלי אנרגיה זהה. כל אורביטל יכול לאכלס שני אלקטרונים. לכן, כאן יש לנו שלוש קליפות. הראשונה מורכבת רק מ-1s, ויכולה לאכלס 2 אלק'. השניה מורכבת רק מ-2s ויכולה לאכלס 2 אלק'. השלישית מורכבת מ- 2px, 2py, 2pz ויכולה לאכלס סה"כ 6 אלקטרונים.
BigBadWolf
Member
תיקון קל
קליפה מתייחסת למספר הקוונטי הראשי, כלומר 2s, 2px, 2py, 2pz נמצאים כולם באותה קליפה. לגבי אנרגיות, באטום מימן או דמוי מימן (כלומר עם אלקטרון אחד בלבד, לגביו המודל מדוייק) ל-2s ו-2p יש את אותה אנרגיה. למעשה, האנרגיה של כל האורביטלים בתוך קליפה זהה במודל זה. לגבי אטומים שאינם מימן נהוג לקרב את האורביטלים לאורביטלים של אותו אטום מימן אך שם באמת האנרגיות של האורביטלים באותה קליפה לא בהכרח נשארות זהות.
קליפה מתייחסת למספר הקוונטי הראשי, כלומר 2s, 2px, 2py, 2pz נמצאים כולם באותה קליפה. לגבי אנרגיות, באטום מימן או דמוי מימן (כלומר עם אלקטרון אחד בלבד, לגביו המודל מדוייק) ל-2s ו-2p יש את אותה אנרגיה. למעשה, האנרגיה של כל האורביטלים בתוך קליפה זהה במודל זה. לגבי אטומים שאינם מימן נהוג לקרב את האורביטלים לאורביטלים של אותו אטום מימן אך שם באמת האנרגיות של האורביטלים באותה קליפה לא בהכרח נשארות זהות.
לא הבנתי משהו בקשר לכמות האלקטרונים...
אם אני מסתכלת על הסירטוט האחרון שצירפתי (מצרפת אותו שוב)- אז
חמשת האורביטלים המתוארים יכולים בעצם להכיל 10 אלקטרונים ביחד (כי כל אורביטל יכול להכיל 2
אלקטרונים עם ספין הופכי).
החתול של שרדינגר כתב:
"כאן יש לנו שלוש קליפות. הראשונה מורכבת רק מ-1s, ויכולה לאכלס 2 אלק'. השניה מורכבת רק מ-2s ויכולה לאכלס 2 אלק'. השלישית מורכבת מ- 2px, 2py, 2pz ויכולה לאכלס סה"כ 6 אלקטרונים"
אז נניח שאנחנו מסתכלים על אטום המימן- יהיה לו אלקטרון אחד בתוך אורביטל מסוג S ברמה הראשונה, אבל אם אנחנו מסתכלים על אטום הנאון שמספרו האטומי 10 ולכן מכיל 10 אלקטרונים, בעצם
חמשת האורביטלים שהוצגו בציור מתלבשים אחד על השני (מה שאומר שבסירטוט כל אורביטל עומד בפני עצמו)- האם אני צודקת?
אם אני מסתכלת על הסירטוט האחרון שצירפתי (מצרפת אותו שוב)- אז
חמשת האורביטלים המתוארים יכולים בעצם להכיל 10 אלקטרונים ביחד (כי כל אורביטל יכול להכיל 2
אלקטרונים עם ספין הופכי).
החתול של שרדינגר כתב:
"כאן יש לנו שלוש קליפות. הראשונה מורכבת רק מ-1s, ויכולה לאכלס 2 אלק'. השניה מורכבת רק מ-2s ויכולה לאכלס 2 אלק'. השלישית מורכבת מ- 2px, 2py, 2pz ויכולה לאכלס סה"כ 6 אלקטרונים"
אז נניח שאנחנו מסתכלים על אטום המימן- יהיה לו אלקטרון אחד בתוך אורביטל מסוג S ברמה הראשונה, אבל אם אנחנו מסתכלים על אטום הנאון שמספרו האטומי 10 ולכן מכיל 10 אלקטרונים, בעצם
חמשת האורביטלים שהוצגו בציור מתלבשים אחד על השני (מה שאומר שבסירטוט כל אורביטל עומד בפני עצמו)- האם אני צודקת?
uzi2
Active member
את צודקת - כמעט
אלקטרון באטום המימן לא חייב להיות באורביטל מסויים. הוא בד"כ בטמפרטורה אפס המוחלט יהיה באורביטל הנמוך (1s), אך עשוי לעלות רמה עקב למשל בליעת פוטון. בטמפרטורה גבוהה יותר, הוא יהיה במצב תערובת של אורביטלים. צריך לזכור כי בעצם כל אלקטרון בכל מצב קוונטי יש לו הסתברות להיות בכל המרחב (ככלל). האורביטלים מציינים מיקום ממוצע (מרחק כתלות בזווית).
אלקטרון באטום המימן לא חייב להיות באורביטל מסויים. הוא בד"כ בטמפרטורה אפס המוחלט יהיה באורביטל הנמוך (1s), אך עשוי לעלות רמה עקב למשל בליעת פוטון. בטמפרטורה גבוהה יותר, הוא יהיה במצב תערובת של אורביטלים. צריך לזכור כי בעצם כל אלקטרון בכל מצב קוונטי יש לו הסתברות להיות בכל המרחב (ככלל). האורביטלים מציינים מיקום ממוצע (מרחק כתלות בזווית).
ועוד משהו- מה בסירטוט יש לנו 3 רמות?
הרי ראשון האורביטלים מתחיל ב-1 וכל הארבעה האחרים מתחילים ב-2, היכן הרמה השלישית? ממה שאני מבינה
ברמה הראשונה יכולים להיות עד 2 אלקטרונים ואילו ברמה השנייה 8 אלקטרונים (למה נכתב שברמה הראשונה 2 אלקטרונים,
ברמה השנייה 2 אלקטרונים וברמה השלישית 6 אלקטרונים?)
הרי ראשון האורביטלים מתחיל ב-1 וכל הארבעה האחרים מתחילים ב-2, היכן הרמה השלישית? ממה שאני מבינה
ברמה הראשונה יכולים להיות עד 2 אלקטרונים ואילו ברמה השנייה 8 אלקטרונים (למה נכתב שברמה הראשונה 2 אלקטרונים,
ברמה השנייה 2 אלקטרונים וברמה השלישית 6 אלקטרונים?)
כתבת אותו הדבר גם לגבי המימן וגם לגבי השאר?
...כך שבאטום המימן הרמה הראשונה מכילה 2 אלקטרונים והשניה 2, והשלישית 6, בעוד שבאטומים רבי אלקטרונים (ונניח נייטרליים) רמת האנרגיה הראשונה מכילה 2, השניה 2, השלישית 6.
אם הרמה השנייה מכילה 4 אורביטלים כפי שנראה בסירטוט, למה היא מחזיקה רק 2 אלקטרונים- היא אמורה להחזיק 8 אלקטרונים...
...כך שבאטום המימן הרמה הראשונה מכילה 2 אלקטרונים והשניה 2, והשלישית 6, בעוד שבאטומים רבי אלקטרונים (ונניח נייטרליים) רמת האנרגיה הראשונה מכילה 2, השניה 2, השלישית 6.
אם הרמה השנייה מכילה 4 אורביטלים כפי שנראה בסירטוט, למה היא מחזיקה רק 2 אלקטרונים- היא אמורה להחזיק 8 אלקטרונים...
BigBadWolf
Member
באטומים שאינם מימן יש דחייה בין האלקטרונים
כאמור, האורביטלים 1s, 2s, 2p וכו' מתייחסים לפתרון של אטום המימן מכיוון שזה האטום היחיד שאנחנו יודעים לפתור לגביו את משוואות תורת הקוונטים. באטום מימן יוצא שלאורביטל 2s ולאורביטלי 2p יש את אותה אנרגיה. מכיוון שאותנו מעניינים גם אטומים אחרים, לוקחים את אורביטלי אטום המימן ומתאימים אותם לאטומים אחרים (ואכן הראו ניסיונית שבקרוב גס ניתן לעשות זאת). הבעיה היא שבאטומים שאינם אטום מימן יש דחייה בין האלקטרונים ולכן לאורביטל s שנמצא קרוב לגרעין לא תהיה אותה אנרגיה כמו לאורביטל p שרחוק מהגרעין.
זה כל הסיפור, אין צורך להתעמק מעבר לכך מכיוון שכאמור הבעיתיות נובעת מהקרוב לאטום מימן.
כאמור, האורביטלים 1s, 2s, 2p וכו' מתייחסים לפתרון של אטום המימן מכיוון שזה האטום היחיד שאנחנו יודעים לפתור לגביו את משוואות תורת הקוונטים. באטום מימן יוצא שלאורביטל 2s ולאורביטלי 2p יש את אותה אנרגיה. מכיוון שאותנו מעניינים גם אטומים אחרים, לוקחים את אורביטלי אטום המימן ומתאימים אותם לאטומים אחרים (ואכן הראו ניסיונית שבקרוב גס ניתן לעשות זאת). הבעיה היא שבאטומים שאינם אטום מימן יש דחייה בין האלקטרונים ולכן לאורביטל s שנמצא קרוב לגרעין לא תהיה אותה אנרגיה כמו לאורביטל p שרחוק מהגרעין.
זה כל הסיפור, אין צורך להתעמק מעבר לכך מכיוון שכאמור הבעיתיות נובעת מהקרוב לאטום מימן.
BigBadWolf
Member
לא, האורביטלים והקליפות התפתחו יחד בשנות ה-20
BigBadWolf
Member
בפתרון אטום המימן יש 4 מספרים קוונטיים
מספר קוונטי - משתנה לא רציף, כלומר כזה שמתקדם בקוונטות בדידות ומכאן השם של תורת הקוונטים (במקרה שלנו הקונבנציה היא שהמשתנים יקבלו רק ערכים שלמים, חוץ מהספין אבל הוא פחות חשוב כרגע)
הפתרון המתמטי של אטום המימן נותן 3 מספרים קוונטיים. מספר קוונטי רביעי התגלה נסיונית ולאחר מכן גם יצא ממשוואות התורת הקוונטית היחסותית.
המספר הקוונטי הראשון (נקרא המספר הקוונטי הראשי), n, הוא מה שאת קוראת לו 'רמה' והוא יכול לקבל מספרים שלמים גדולים או שווים ל-1. מספר קוונטי זה הוא היחיד שמופיע במשוואת האנרגיה.
המספר הקוונטי השני, l (קשור לתנע הזוויתי), נע בין 0 ל n-1 והוא למעשה קובע את סוג האורביטל:
l=0 → s
l=1 → p
l=2 → d
l=3 → f
l=4 → g
l=5 → h
.
.
.
המספר הקוונטי השלישי, m, הוא המספר הקוונטי המגנטי והוא נע בין מינוס l לפלוס l. מספר זה למעשה קובע כמה אורביטלים קיימים מכל סוג. לדוגמה, באורביטל s מתקיים l=0 ולכן יש רק אחד כזה (בכל רמה). לעומת זאת עבור p מתקיים l=1 ולכן יש 3 כאלו.
המספר הקוונטי הרביעי, s, הוא הספין של האלקטרון. אני לא אפרט עליו, רק אומר שהוא יכול לקבל שני ערכים בלבד.
הכלל אומר שאסור לשני אלקטרונים לקבל את אותם מספרים קוונטיים, כלומר שני אלקטרונים לא יכולים להיות בדיוק באותו מצב.
מספר קוונטי - משתנה לא רציף, כלומר כזה שמתקדם בקוונטות בדידות ומכאן השם של תורת הקוונטים (במקרה שלנו הקונבנציה היא שהמשתנים יקבלו רק ערכים שלמים, חוץ מהספין אבל הוא פחות חשוב כרגע)
הפתרון המתמטי של אטום המימן נותן 3 מספרים קוונטיים. מספר קוונטי רביעי התגלה נסיונית ולאחר מכן גם יצא ממשוואות התורת הקוונטית היחסותית.
המספר הקוונטי הראשון (נקרא המספר הקוונטי הראשי), n, הוא מה שאת קוראת לו 'רמה' והוא יכול לקבל מספרים שלמים גדולים או שווים ל-1. מספר קוונטי זה הוא היחיד שמופיע במשוואת האנרגיה.
המספר הקוונטי השני, l (קשור לתנע הזוויתי), נע בין 0 ל n-1 והוא למעשה קובע את סוג האורביטל:
l=0 → s
l=1 → p
l=2 → d
l=3 → f
l=4 → g
l=5 → h
.
.
.
המספר הקוונטי השלישי, m, הוא המספר הקוונטי המגנטי והוא נע בין מינוס l לפלוס l. מספר זה למעשה קובע כמה אורביטלים קיימים מכל סוג. לדוגמה, באורביטל s מתקיים l=0 ולכן יש רק אחד כזה (בכל רמה). לעומת זאת עבור p מתקיים l=1 ולכן יש 3 כאלו.
המספר הקוונטי הרביעי, s, הוא הספין של האלקטרון. אני לא אפרט עליו, רק אומר שהוא יכול לקבל שני ערכים בלבד.
הכלל אומר שאסור לשני אלקטרונים לקבל את אותם מספרים קוונטיים, כלומר שני אלקטרונים לא יכולים להיות בדיוק באותו מצב.
Copyright©1996-2021,Tapuz Media Ltd. Forum software by XenForo® © 2010-2020 XenForo Ltd.