Как квантовая механика предсказывает все элементы

Зарегистрируйтесь на БЕСПЛАТНУЮ пробную версию Wonderium здесь: http://ow.ly/dSdf30rNQ6w - Обязательно ознакомьтесь с книгой «Понимание Периодической таблицы» профессора Рона Дэвиса - настоятельно рекомендую!

Ссылки для дальнейшего изучения:
Схема структуры оболочек всех атомов: https://tinyurl.com/omerfr7
Решение уравнения Шредингера для водорода: https://tinyurl.com/y5h5flhx также https://tinyurl.com/29x5mzjl

Главы:
0:00 - Вопрос: Почему атомы устроены именно так
1:30 - Всё дело в энергии
2:48 - Как уравнение Шредингера предсказывает строение элементов
3:20 - Почему числа оболочек так важны?
6:08 — Ключ к решению волновой функции
8:33 — Визуализация атомов с помощью волновой функции
9:44 — Как конфигурации оболочек соответствуют таблице Менделеева
12:02 — Орбитали и оболочки — это не одно и то же
13:00 — Узнайте больше о таблице Менделеева

Краткое содержание:
Почему некоторые элементы обладают схожими свойствами? Из-за того, как электроны расположены вокруг ядра атома. Но почему электроны расположены именно на определённых орбиталях и оболочках? Структуру атомов можно предсказать с помощью квантовой механики. Она может объяснить всю периодическую таблицу элементов.

Некоторые конфигурации электронов более энергетически эффективны, чем другие. И эту энергию можно рассчитать с помощью уравнения Шрёдингера. Конфигурации электронов с самой низкой энергией возникают, когда электронные оболочки либо пусты, либо заполнены. Что такое атомные оболочки? Модель атома водорода, предложенная Бором, показала, что электроны могут находиться только на определённых устойчивых орбитах вокруг ядра, где их угловой момент пропорционален постоянной Планка. Это своего рода оболочки вокруг ядра.

Эрвин Шрёдингер показал, что электрон не ограничен орбитой, подобно планете, а представляет собой волну материи, образующую вероятностное облако в трёхмерном пространстве, размазанное вокруг ядра.

Уравнение Шрёдингера показало, что каждая оболочка может содержать максимальное количество электронов. Самая внутренняя оболочка содержит максимум 2 электрона, вторая — 8, затем 18, затем 32, затем 50, затем 72 и так далее. Химия — это процесс обмена электронами веществами для полного заполнения этих оболочек.

Чтобы понять, почему определённые оболочки могут содержать только определённое количество электронов, нам нужно решить уравнение Шрёдингера, которое представляет собой закон сохранения энергии. Оно гласит, что полная энергия равна сумме потенциальной и кинетической энергий. Это уравнение проще всего решить для атома водорода, поскольку это простейший атом — всего один электрон, вращающийся вокруг одного протона.

Ключевой термин для решения — пси, волновая функция атома. Это значение связано с вероятностью нахождения атома в определённых квантовых состояниях. Для решения этих уравнений необходимо задать некоторые квантовые значения для атома, представленные n, l и m: n — слой электронной оболочки, l — квантовое число, определяющее орбитальный момент, а m — ориентацию орбитали в пространстве.

Подстановка различных значений n, l и m в уравнение Шрёдингера для атома водорода также приблизительно представляет решение для ВСЕХ квантовых состояний электронов любого другого атома. Таким образом, это уравнение позволяет нам предсказать поведение электронов для всех элементов периодической таблицы.

Можно показать, что различные значения n, l и m представляют различные структуры атомов, поскольку эти квантовые числа объясняют возможные оболочки или орбитали, доступные электронам.

Мы обнаружили, что общее число конфигураций равно числу электронных оболочек. Таким образом, структуру периодической таблицы можно понять, просто решив уравнение Шрёдингера для атома водорода.

Но может ли решение для водорода действительно работать для всех атомов? Ответ: нет, это решение для водорода не совсем верно. Оно становится менее точным для более крупных атомов. Поэтому, если рассмотреть его детально, можно заметить некоторые небольшие отклонения для более крупных атомов. И в этих случаях орбиты могут быть заняты немного по-разному.

Но проблема в том, что уравнение Шредингера становится настолько громоздким для больших атомов, что его невозможно решить. Но поскольку мы можем решить его точно для водорода, оно, тем не менее, может дать нам хорошее понимание для других атомов.

Решение для волновой функции также показывает, например, что орбиты, связанные с более высоким значением «l», не обязательно являются оболочками со следующей наименьшей энергией. Именно поэтому на уроках химии вы узнали, что вместо того, чтобы начинать d-орбиту в третьей строке, нужно начинать со следующей s-орбиты. Причина в том, что волновая функция показывает, что при «n=4» и «l=0» на s-орбите это фактически более энергетически эффективно, чем на d-орбите. Но после этого заполнение d-орбиталей становится более эффективным.
#квантоваямеханика
#атомнаяструктура
#атомныеоболочки
Проще говоря, в зависимости от квантовых чисел волновой функции, вы заполняете орбиты так, чтобы это ...