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7.9:

原子的量子力学模型

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Chemistry
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The Quantum-Mechanical Model of an Atom

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回想一下电子的粒子性质和波动性质,以及通过延伸,它的位置和速度,是互补的性质。同样地,由于动能是速度的函数,位置和能量也是互补的性质。因此,对于一个能量定义明确的电子来说,它的位置就不那么准确地被人所知了。相反,电子的位置是用电子 概率密度来描述的—它描绘了在特定能量下 找到一个电子的概率。在这个表示法中,电子 更可能接近原子核 而不是远离原子核。通过求解薛定谔方程 从数学上导出了电子的能量和 概率分布,该方程同时综合了 电子的波动性质和粒子性质。这里,E 是电子的实际能量,H 是一个数学运算符,ψ 是波函数。求解薛定谔方程可以得到许多可能的 波函数。然而,是波函数的平方,ψ 的平方,代表了电子的概率密度。点的密度与单位体积内 电子在特定位置的 概率成正比。Ψ 的平方与 r 电子与原子核的距离—的关系图显示了电子最有可能存在于 原子中的位置。Ψ 的平方越大,找到电子的概率就越高。这张特别的图代表了氢的 概率密度,它有 1 个电子。最有可能找到 比能电子的这个三维区域 称为轨道。轨道有不同的形状,从球形 到更复杂的,取决于它们的量子数 的值。这些轨道与玻尔在他的 原子模型中最初描述的轨道是不同的。在玻尔的模型中,轨道代表量化的 能级。因此,以概率为基础的原子的 量子力学模型,是 原子结构最现代的 表现形式。它通过将电子概率密度 描述为围绕原子核的 电子”云”提供了原子的 更精确的表示。

7.9:

原子的量子力学模型

在德布罗意发表他的想法后不久,氢原子中的电子可以更好地被认为是圆形驻波,而不是粒子在量化的圆轨道中移动,厄尔文·施罗因丁格通过推导来扩展德布罗意的工作。现在称为薛定谔方程。当薛定谔将他的方程式应用于类似氢的原子时,他能够重现能量的玻尔表达式,并由此再现控制氢谱的里德伯格公式。薛定谔将电子描述为三维固定波或波函数,由希腊字母psi(ψ )表示。

几年后,麦克斯·伯恩(Max Born)提出了对波函数ψ 的一种解释,该解释至今仍被接受:电子仍然是粒子,因此以ψ 不是物理波,而是复杂的概率振幅。波函数∣ ψ 2 的大小的平方描述了量子粒子出现在空间中某个位置附近的概率。 这意味着波函数可用于确定电子密度相对于原子核的分布。在最一般的形式中,薛定谔方程可写为:

“

其中,Ĥ是哈密顿算子,这是一组数学运算,表示量子粒子(例如原子中的电子)的总能量(势能和动能),&psi ; 是该粒子的波函数,可用于查找发现该粒子的概率的特殊分布,而 E  是该粒子的总能量的实际值粒子。

薛定谔的工作以及海森堡和许多其他科学家紧随其后的工作,通常被称为量子力学。

量子力学模型将轨道描述为原子内原子核周围的三维空间,在其中发现电子的概率最高。

本文改编自 Openstax,化学 2e,第6.3节:量子理论的发展。