Вопрос на понимание спина и орбитали

[kciray]

Я знаю, то что орбиталь - это зона нахождения электрона с вероятностью 95%. s орбиталь является сферой (а не шаром), на котором могут находится 2 электрона. Но p орбиталь - она же в форме 2-х капелек - как это объяснить??? Капельки же пересекаются с ядром - неужели электрон может пролетать сквозь ядро?И вообще - откуда фундаментально взялась эта форма?

И ещё вопрос - как понимать вращение одного электрона против, а другого по часовой стрелке? Относительно чего? У атома есть ось вращения?

Изменено 14 Ноября, 2011 в 18:42 пользователем kciray

[Atharaxy]

Так это, пересечение капелек - "узел", в котором вероятность нахождения электрона стремится к нулю о_О

 

А насчёт спина - нет никакого вращения, понятие "вращательного момента" введено для упрощения расчётов.

[Gall]

s-орбиталь - как раз шар (не сфера), наибольшая вероятность нахождения электрона - внутри ядра, в самом центре! Да-да.

 

Электрон может пролетать сквозь ядро. Точнее - пересекаться с ядром.

 

Формы орбиталей получаются из решения уравнения Шредингера для водородоподобного атома. Там в решении получаются сферические гармоники, спецфункции, описывающие именно такие картинки. Для атома водорода решения уравнений действительно таковы. Для остальных атомов решения другие, но в силу математических свойств мы можем представить их как сумму (линейную комбинацию) водородных решений. Во многих случаях орбиталь оказывается сложной формы - не s, не p, не d, а непонятно какая. Но всегда ее можно записать как сумму, например, чистых s и p - это и называется sp-гибридизацией.

 

Строго говоря, орбитали - это не зоны нахождения электрона, а формы самого электрона. Это он так размазан. Электрон большой!

 

"Ось вращения", выделенное направление появляется тогда, когда мы пытаемся увидеть (измерить) спин. Любой измеритель направления спинов обязательно выстроит спины вдоль себя, и некоторые будут направлены "вверх", а некоторые - "вниз" с нашей точки зрения.

[kciray]

Спасибо за ответ.

У меня вопросы - как тогда предславлять L,M и далее электронные оболочки? Получится сфера в сфере.И что, электроны с верхних оболочках также наиболее вероятно находятся у ядра? тогда почему мы считаем их энергию большей? И как происходят столкновения электронов?

[Wergilius]

Я знаю, то что орбиталь - это зона нахождения электрона с вероятностью 95%. s орбиталь является сферой (а не шаром), на котором могут находится 2 электрона. Но p орбиталь - она же в форме 2-х капелек - как это объяснить??? Капельки же пересекаются с ядром - неужели электрон может пролетать сквозь ядро?И вообще - откуда фундаментально взялась эта форма?

"Орбиталь" эта область пространства, вероятность обнаружить электрон в которой составляет 95%. По сути это объем, тройной интеграл по которому от квадрата нормированной волной функции равен 0,95.

 

И ещё вопрос - как понимать вращение одного электрона против, а другого по часовой стрелке? Относительно чего? У атома есть ось вращения?

У электрона есть собственный магнитный момент (спин) и орбитальный магнитный момент.

В классической физике, магнитный момент образуется у вращающихся зарядов.

Поэтому, для описания на классическом уровне (по большей части учебном), принимают, что орбитальный момент вызван вращением электрона по орбите, а собственный магнитный момент вращением вокруг собственной оси.

Электрон конечно никуда не вращается, но магнитный моент (собственный и орбитальный) у него есть.

Так вот, в магнитном поле происходит расщепление энергетических уровней электрона на два подуровня (соотвественно спин "+" и спин "-" )

[Gall]

Спасибо за ответ.

У меня вопросы - как тогда предславлять L,M и далее электронные оболочки? Получится сфера в сфере.И что, электроны с верхних оболочках также наиболее вероятно находятся у ядра? тогда почему мы считаем их энергию большей?

Да, шар в шаре и как бы в одном и том же месте. И у всех максимум вероятности - в центре. Но у более высоких электронов вероятность в центре поменьше, а "хвосты" вероятности по краям - побольше и пошире. Зона вероятности 0.95, которую обычно называют "радиусом", стало быть тоже больше. Все s-электроны колеблются относительно центра по радиусу, но у K-оболочки амплитуда колебаний невысока, у L она больше, а у M еще больше. Соответственно больше и энергии.

 

p-электроны колеблются так же, но уже не по радиусу, а по прямой через центр. У них уже есть разные направления колебаний. Декартовых координат три, поэтому и колебания можно разложить на три проекции по трем осям - три взаимно перпендикулярные гантельки.

 

У d-электронов колебания еще более сложные. Если проводить аналогию с колебаниями каната в спортзале, то s - это канат, описывающий круги, p - качающийся как маятник, d и выше - когда по канату идут волны.

 

И как происходят столкновения электронов?

Строго говоря, не столкновения, а взаимодействия. Электроны всегда "соприкасаются". Но при определенном стечении обстоятельств у одного электрона или у группы электронов может измениться характер колебаний, характер волновой функции. Например, электрон из p может превратиться в s. Это может произойти у одиночного электрона (и происходит при излуении и поглощении фотонов), но далеко не всегда. У группы из нескольких электронов больше свободы, ведь электроны неразличимы, их колебание для них общее. Это как пластилин - если слепить вместе несколько кусочков, то будет больше способов поделить получившееся на части. Поэтому некоторые явления происходят только при взаимодейсвии электронов друг с другом.

[-Mike-]

Я знаю, то что орбиталь - это зона нахождения электрона с вероятностью 95%. s орбиталь является сферой (а не шаром), на котором могут находится 2 электрона. Но p орбиталь - она же в форме 2-х капелек - как это объяснить??? Капельки же пересекаются с ядром - неужели электрон может пролетать сквозь ядро?И вообще - откуда фундаментально взялась эта форма?

И ещё вопрос - как понимать вращение одного электрона против, а другого по часовой стрелке? Относительно чего? У атома есть ось вращения?

С два-три десятка лет назад слышал об одной достаточно стройной теории сути электрона: он представлялся в виде цилиндрической пружинки-волны. В атоме соответственно электрон нечто свёрнутого вращающегося кольца, которое может и поворачиваться по любому.

Если такая гипотеза верна, то легко показать, что вращаясь кольцом, электрон создаёт магнитное поле (спин), на одной орбитали могут находится два колечка с разным вращением при минимуме энергии. А главное, становится понятным, почему электрон не падает на ядро: волновое кольцо в принципе не может упасть, даже смещаясь и захватывая кольцевым полем ядро тут же появляются силы, центрующие систему. А также ясно про p орбиталь - ничего невероятного в пронизывании волновым полем ядра нет. Понятно и про вероятности нахождения электрона, про пронизывание одних орбиталей другими, сути стоячей волны электрона вокруг ядра, процесс поглащения энергии и даже физику появления расщепления уровней...

 

Общепринятое видение микромира и бОльшую часть информации о нём нам показывают и доказывают через математику, обосновывающие опыты. На некотором этапе скапливаются противоречия. Если они важны-фундаментальны, то идёт переосмысление процессов физики. Если они не слишком мешают, то на них не сильно и обращают внимание, происходит "засаливание". Наверное поэтому и появляются подобные вопросы-недоразумения у молодого свежего взгляда.

 

P.S. Эта теория была разработана кажется более глубоко и включала не только видение электрона, но и фотона, ядра. Этим занимался какой-то русский физик, потратил большую часть жизни, чтобы устранить накопившиеся противоречия. Почему о нём не слышно? Может просто не вписался в "монументальные знания" академиков? История рассудит.

Изменено 16 Ноября, 2011 в 15:50 пользователем -Mike-

[Gall]

P.S. Эта теория была разработана кажется более глубоко и включала не только видение электрона, но и фотона, ядра. Этим занимался какой-то русский физик, потратил большую часть жизни, чтобы устранить накопившиеся противоречия. Почему о нём не слышно? Может просто не вписался в "монументальные знания" академиков? История рассудит.

Вроде бы противоречия так и не ушли. А вот представление в виде пространственной волны по де Бройлю оказалось состоятельным. Во всяком случае, основанные на нем расчетные программы неплохо вычисляют макроскопические свойства тел, и цифры сходятся с экспериментом. То есть - уже не качественное, а вполне точное количественное описание явления.

[ваниил]

Все эти формы орбиталей (шар, гантелька, бабочка для d орбитали и т.д.) были получены при решении уравнения Шрёдингера для атома водорода. Если мы посмотрим на полученное решение, то увидим 2 составляющие - радиальную и угловую (по сути 2 независимых уравнения). Угловая составляющая решения представляет из себя так называемую сферическую гармонику (почитайте про нее отдельно и посмотрите на ее формулу, все станет понятнее); в уравнении сф.гарминики есть параметры, варьируя которые, мы будем получать различные симметричные фигурки (сфера, гантелька, бабочка и т.д.), т.е. наши орбитали. Как можно было догадаться, параметры этого уравнения - квантовые числа, которые вы проходили в школе. На самом деле, вид орбиталей более тяжёлых атомов (вернее тех, у которых больше 1 электрона), аналитически не был получен. Иначе говоря, то, что мы рисуем шарики и гантельки на всех элементах - это приближение, которое довольно неплохо работает. Т.е. рассчитав эти орбитали единожды для атома водорода, мы сказали "опа, ну наверное у других атомов всё так же, мы все равно не можем это вычислить". На самом деле все ещё сложнее, ведь для описания реальных орбиталей атомов мы используем линейную комбинацию базисного набора орбиталей, которые в совокупности дают нам примерную картину реальности, но, я боюсь, это слишком далеко идущие следствия сего разговора.

 

[ваниил]

Орбиталь это не просто место локализации электрона, это в первую очередь функция движения электрона в атоме или молекуле.

Вероятность нахождения электрона в ядре равна 0 (S орбитали исключение, но это скорее математический артефакт), так что у гантельки в центре пустота, или правильнее сказать узел.