Общая химия/Квантовая модель

Оказывается, фотоны — не единственное, что действует как волны и частицы. Электроны тоже обладают этой характеристикой, известной как корпускулярно-волновой дуализм. Электроны можно рассматривать как волны определенной длины, поэтому они могут образовывать окружность вокруг ядра только на определенных расстояниях, кратных длине волны. Конечно, это поднимает проблему: являются ли электроны частицами в определенном месте или волнами в общей области? Вернер Гейзенберг пытался использовать фотоны для определения местоположения электронов. Конечно, когда фотоны достигают электронов, электроны меняют скорость и переходят в возбужденное состояние. В результате невозможно точно измерить скорость и местоположение электрона одновременно. Это известно как эффект наблюдателя. Его часто путают с «принципом неопределенности Гейзенберга», который идет еще дальше, утверждая, что существуют пределы степени, в которой и положение, и импульс частицы могут быть вообще известны. Это связано с тем, что электроны не могут одновременно проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства, когда их наблюдают за взаимодействием с окружающей средой. Импульс электрона пропорционален его скорости, но основан на его волновых свойствах; его положение основано на положении его частицы в пространстве. Принцип неопределенности Гейзенберга — это своего рода научная дилемма: чем больше вы знаете о скорости чего-либо, тем меньше вы знаете о его положении; и чем больше вы знаете о его положении, тем меньше вы знаете о его скорости. Значение этой неопределенности в том, что вы никогда не можете точно знать, где находятся электроны атома, а только там, где они, скорее всего, находятся.

В крошечном масштабе атома корпускулярная модель электрона неточно описывает его свойства. Электрон ведет себя скорее как волна на воде, чем как бильярдный шар. В любой момент времени шар находится в определенном месте; он также движется в определенном направлении с определенной скоростью. Это, конечно, не относится к волнам или электронам в целом. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что точное положение и импульс электрона не могут быть одновременно определены. Это происходит потому, что электроны просто не имеют определенного положения и направления движения одновременно!

Один из способов попытаться понять это — думать об электроне не как о частице, а как о волне. Представьте себе, что вы бросаете камень в пруд. Рябь начинает расходиться от этой точки. Мы можем ответить на вопрос «Где находится волна?»: «Это там, где вы бросили камень». Но мы не можем ответить на вопрос «В каком направлении движется волна?» потому что он движется во всех направлениях. Он распространяется. Теперь представьте себе волну на берегу моря. Мы знаем направление движения. Он движется прямо к пляжу. Но где находится волна? Мы не можем точно определить ее местоположение. Она по всей поверхности воды.

Если мы никогда не можем точно узнать, где находится электрон, то как мы узнаем о том, как он вращается вокруг атомов? Эрвин Шредингер разработал квантово-механическую модель, которая описывает поведение электрона в данной системе. Ее можно использовать для расчета вероятности нахождения электрона в заданном положении. Вы не знаете точно, где находится электрон, но вы знаете, где он с наибольшей и наименьшей вероятностью будет найден. В атоме волновая функция может быть использована для моделирования формы, называемой орбиталью, которая содержит область, в которой электрон почти наверняка находится.

В следующих разделах мы узнаем об оболочках, подоболочках и орбиталях, в которых находятся электроны. Постарайтесь не запутаться; это может быть сложно. Понимание этой информации поможет вам узнать о связях, что очень важно.

Каждый электрон, вращающийся по орбите в атоме, имеет набор из четырех чисел, которые его описывают. Эти четыре числа, называемые квантовыми числами, описывают орбиту электрона вокруг ядра. Каждый электрон в атоме имеет уникальный набор чисел, и числа изменятся, если орбита электрона изменится. Например, если произойдет связывание или электрон перейдет на орбиту с более высокой энергией. В следующей главе мы узнаем значение этих четырех значений.

Помните, что изображения орбиталей, которые вы скоро увидите, показывают область, в которой электрон «скорее всего» находится, а не его точную орбиту. Это похоже на изображение разбрызгивателя, поливающего газон, а электроны — это капли воды. Вы знаете общую площадь воды, но не точное местоположение каждой капли. На орбитальных снимках вы знаете общую площадь, в которой может находиться электрон, но не его точный путь. Это результат принципа неопределенности.