Квантово-механическая модель атома. Как выглядят атомы и почему?

Зайдите на https://brilliant.org/ArvinAsh, вы можете зарегистрироваться бесплатно. А также первые 200 человек получат 20% скидку на годовую премиум-подписку. Дополнительное видео о квантовой механике молекул здесь: https://www.youtube.com/watch?v=azI-_S6g8C8 Когда Эрнест Резерфорд понял, что у атомов есть тяжелое ядро, он предположил, что орбита Луны вокруг Земли такая же, как и орбита электрона вокруг ядра атома. Теперь мы знаем, что атом выглядит совсем иначе. Так как же на самом деле выглядит атом? Почему атомы такие маленькие? Почему электрон не падает на протон в ядре, если они притягиваются друг к другу? Почему нельзя сжать атом, если он в основном состоит из пустого пространства? Оказывается, он не в основном состоит из пустого пространства. И вы можете быть шокированы тем, чем он на самом деле заполнен. Ответы кроются в уравнениях квантовой механики. Одна из главных проблем модели Резерфорда заключается в том, что при ускорении электронов, как это происходит на круговых орбитах, они создают электромагнитные волны. Это означает, что электроны постоянно излучают фотоны, заставляя их терять энергию. Поэтому использование классических законов для атома просто не работало. В 1900 году Макс Планк показал, что материя излучает только дискретные количества радиации, причем энергия E пропорциональна частоте f – коэффициенту пропорциональности h, где h – постоянная Планка. Ниль Бор объединил модель Резерфорда и теорию Планка, чтобы выдвинуть гипотезу о том, что электрон может существовать на определенных специальных орбитах, не излучая энергию. Постоянная Планка имела единицы измерения углового момента. Поэтому он предположил, что допустимы только те орбиты, где угловой момент электрона квантован. Он предположил, что самая нижняя орбита будет иметь импульс h/2π, где 2π происходит от геометрии круговых орбит. И любая орбита может существовать, если она является целым кратным этому числу. Но Бор не мог объяснить, почему вообще должны существовать эти особые орбиты. Французский учёный Луи де Бройль сказал, что если частица имеет импульс и длину волны, то электрон — это волна. Это потребовало огромного философского скачка, поскольку он утверждал, что твёрдая материя состоит из волн. Де Бройль предположил, что электроны могут существовать только на орбитах, где их волны интерферируют конструктивно, и это возможно только в том случае, если длина окружности орбиты равна любому целому числу, умноженному на длину волны. Это объяснило, почему орбиты имеют именно такие радиусы, чего Бор не мог сделать. Какова природа этих волн? Эта загадка была решена австрийским физиком Эрвином Шрёдингером. Он сказал, что волна может существовать в любой точке трёхмерного пространства, и сформулировал правила для описания этих волн в уравнении Шрёдингера. Это уравнение позволило описать атом водорода с большей детализацией и точностью, чем модель Бора, а также все остальные атомы в периодической таблице. Это был новый вид механики — квантовая механика. Почему мы не можем просто заглянуть внутрь любого материала, чтобы увидеть, как выглядят атомы? Проблема в том, что для того, чтобы объект можно было увидеть, он должен быть достаточно большим, чтобы отражать свет. Но самый большой атом в 1000 раз меньше длины волны видимого света. Поэтому видимый свет просто проходит сквозь атомы. Поэтому нам приходится гадать, основываясь на том, что говорит нам волновое уравнение. Оно говорит нам, что электрон образует облако вокруг ядра. Форма облака определяется волновой функцией. Облако представляет собой вероятное положение электрона, если бы вы его измерили. Таким образом, объем атома не пуст. Он заполнен повсюду облаком электронов. Мы можем использовать волновое уравнение Шрёдингера, чтобы найти вероятность появления электрона. Наибольшая вероятность достигается при 0,529 × 10⁻¹⁰ метров, что в точности совпадает с радиусом, рассчитанным Бором. Таким образом, наиболее вероятный радиус, полученный из квантовой механики, идентичен радиусу, рассчитанному классической механикой. В модели Бора предполагалось, что электрон всегда находится на этом расстоянии, но в модели Шрёдингера он никогда не находится на каком-либо одном радиусе. Вероятность его нахождения на этом радиусе высока. Разница обусловлена принципом неопределенности и волновой функцией. И то же самое волновое уравнение говорит нам, что ядро атомов также представляет собой облако. Но протонное облако намного меньше электронного, потому что оно гораздо массивнее. Облако атомов водорода может принимать и другие формы в зависимости от энергетического уровня и квантового состояния электрона. #каквыглядятатомы #атомнаямодель #квантоваямеханика Почему электрон не сталкивается с протоном в ядре? Даже если вы уроните электрон прямо на протон, электрон не упадет и не ударит протон — потому что это нарушит уравнение неопределенности Гейзенберга — и ΔX, и ΔP будут равны нулю. Это невозможно. Почему я не могу сжать два атома вместе? Для этого потребуется слишком много