Question:
Comment les orbitales coexistent-elles avec un noyau?
timothymh
2012-04-28 22:01:23 UTC
view on stackexchange narkive permalink

De nombreux diagrammes d'orbitales que j'ai vus impliquent des électrons se déplaçant à travers un point central - là où se trouve le noyau. Comment se peut-il? De toute évidence, ils ne traversent pas réellement le noyau, alors que se passe-t-il?

"" en passant par un point central "" ce n'est pas vrai. En fait, les orbitales ont une certaine densité d'électrons dans le noyau, mais il n'y a rien de "se déplacer" dans les orbitales.
Comme Georg l'a dit, il n'y a pas de mouvement dans les orbitales. Ce sont des états stationnaires par définition des fonctions propres d'un hamiltonien à un électron. La question n'a pas de sens comme indiqué.
Cinq réponses:
#1
+18
Terry Bollinger
2012-05-01 06:42:41 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Dans la définition d'un shell s, vous constaterez que son nombre $ \ ell $ est zéro. En termes classiques, cela correspond à une orbite avec un moment orbital ou angulaire nul - ce qui pour un gros objet est une impossibilité évidente. Pour un électron, cela donne le résultat particulier que tout électron dans toute coquille s est, classiquement parlant, se déplaçant d'avant en arrière à travers le noyau, plutôt que autour de lui. Donc, dans un sens curieux, ce que vous venez de demander est exactement ce qui se passe: l'analogie classique est que les électrons passent par le noyau, c'est pourquoi ils ont une si belle symétrie sphérique.

La deuxième partie la réponse, cependant, est que les électrons ne peuvent pas traverser le noyau à moins qu'ils ne soient énormément plus énergétiques que ceux trouvés dans un atome typique de petit noyau. Il y a clairement un paradoxe là-dedans!

La résolution du paradoxe est que les particules chargées de très faible masse doivent être traitées par des règles quantiques. Ainsi, par exemple, plutôt que l'électron se comporte comme une particule bien définie, il se comporte comme une onde stationnaire. Cette onde stationnaire peut à son tour être considérée comme deux versions simultanées de l'électron, l'une allant (par exemple) dans le sens des aiguilles d'une montre et l'autre dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. (La situation réelle a un nombre infini de tels composants; je n'en choisis qu'une seule paire qui démontre le principe.)

Chacun de ces composants peut en outre être considéré comme étant réfracté par le puissant champ de charge sphérique du noyau, se courbant autour de lui sans qu'il soit touché. Cette réfraction n'est pas la même chose qu'une attraction. En fait, c'est cet effet de réfraction qui empêche la densité du nuage d'électrons d'atteindre l'infini au niveau du noyau, c'est-à-dire de frapper le noyau. Si vous pensez à la façon dont un réservoir d'eau peut faire rebondir un faisceau de lumière sur la surface au lieu de pénétrer dans le réservoir - et c'est une terrible analogie, je sais, je sais - vous pouvez au moins avoir une idée de la façon dont une augmentation " densité optique "vers un point central pourrait éloigner la lumière plutôt que de la rapprocher.

Donc, pour un électron qui se comporte" comme "deux ondes allant à la fois dans le sens horaire et antihoraire, les ondes combinées se courbent autour du noyau plutôt que le frappant. C'est une sorte d'événement très quantique, car pour un objet classique, une telle «division» de l'objet n'est tout simplement pas possible et l'objet plonge simplement directement dans la source de l'attraction. Mais si les objets sont suffisamment légers, ce genre de comportement semblable à des particules cesse tout simplement d'être disponible pour l'objet. Au lieu de cela, vous obtenez des ondes qui parfaitement et avec une courbe de symétrie sphérique parfaite autour du noyau, n'obtenant jamais assez d'énergie (ce qui le rend plus semblable à des particules) pour se connecter directement à ce noyau.

Enfin, remarquez que les électrons sont Les shells (et autres) combinent nécessairement plusieurs chemins en même temps. Pour chaque "image" de l'électron qui se déplace dans le sens des aiguilles d'une montre, il doit également y avoir une "image" d'équilibrage exactement du même électron se déplaçant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, de sorte que les deux images s'équilibrent toujours à un moment orbital nul. Quelle chose incroyable! Et une chose importante aussi, car c'est ce qui rend la chimie possible.

Donc, bonne question, même si c'est vraiment plus une question de physique en soi qu'une question de chimie. Mais c'est une question de chimie si importante! C'est comme demander comment fonctionne le moteur qui alimente la voiture. Vous pouvez accepter comme une évidence que toutes les voitures et tous les véhicules ont des moteurs et qu'ils fonctionnent tous d'une certaine manière. Cependant, il est parfois agréable de plonger un peu plus profondément et d'essayer de comprendre pourquoi ces choses particulières font les choses qui rendent la chimie possible - c'est-à-dire comment le moteur fonctionne vraiment.

Je n'ai vraiment aucune idée de ce qui se passe dans cette réponse. Selon la solution de l'atome de type hydrogène, il existe des états stationnaires (par exemple, les orbitales 1s) qui ont la plus grande probabilité d'électrons parmi toutes les positions possibles existant au niveau du noyau.
Terry, pourquoi dis-tu que l'électron ne peut pas traverser le noyau? Comment expliquer l'observation du contact de Fermi par RMN et EPR à moins que les électrons ne pénètrent dans le noyau? "Le but de cet article est de souligner que l’interaction isotrope HF provient de la densité de probabilité d’un électron« s »à l’intérieur du noyau." http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0143-0807/21/1/303/meta
Réponse rapide: je devrai relire mon ancienne réponse aujourd'hui pour comprendre pourquoi cela vous est arrivé de cette façon, puisque dans d'autres écrits, j'ai même décrit les 0 cas de moment orbital comme classiquement équivalents à la plongée d'électrons directement _ à travers_ le noyau. Donc, il y a une sorte de mauvaise communication ici; Je vais essayer de comprendre ce que c'est et de le réparer.
#2
+16
Andrew
2012-04-28 22:44:51 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Les électrons peuvent être considérés à la fois comme des particules et des ondes ( wiki). Fondamentalement, considérer les électrons comme des particules est insuffisant pour expliquer la plupart des phénomènes observés.

Dans ce cas, une particule ne passerait pas vraiment à travers le noyau, mais une onde le pourrait certainement. Prenons, par exemple, l'orbitale 2p, centrée autour du noyau à deux lobes. La fonction d'onde peut nous permettre de visualiser où un électron est le plus susceptible d'être trouvé: (à partir de PSU.edu)

2p Wave Function

La densité de probabilité La fonction est trouvée en quadrillant la fonction d'onde, et le PDF montre où l'électron est susceptible d'être observé:

2p Electron Density Function

(désolé pour la petite taille)

Donc, à partir de ce diagramme, il y a une probabilité 0 d'observer réellement un électron au niveau du noyau bien que l'électron doive passer à travers le noyau d'un côté à l'autre, ce qui est au cœur de votre question. Le PDF traite principalement de la nature particulaire de l'électron, car il montre où il est susceptible d'en observer un. Cependant, lorsque l'électron présente des caractéristiques d'onde, il peut traverser le noyau sans y être trouvé.

La meilleure analogie que je puisse donner est que si vous agitez une corde à sauter de haut en bas, vous ne pouvez pas vraiment isoler la vague dans la corde à sauter, mais elle est toujours clairement là. Pour faire court, une particule ne traverse pas le noyau, mais une onde peut le faire et le fait.

@Georg, J'ai choisi un orbitale * p * parce que cela semble être le cas le plus simple où l'électron doit se déplacer "à travers" le noyau pour aller d'un lobe à l'autre. Une sphère d'un orbitale * s * ne semblait pas être une aussi bonne illustration de l'OMI. Par tous les moyens, postez une réponse examinant un * s * -orbital cependant!
Le fait est que les s-orbitales ont une densité d'électrons positive au niveau du noyau. La mécanique quantique n'est-elle pas étrange.
#3
+12
CHM
2012-04-28 22:43:01 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Les orbitales $ \ mathrm {p} $ , par exemple, ont un plan nodal où se trouve le noyau, ce qui signifie que la densité électronique y est nulle.

Une orbitale ne représente pas un chemin que les électrons empruntent lorsqu'ils se déplacent. Une orbitale est une région de probabilité. Pour rendre les choses claires et précises, lorsque nous dessinons une orbitale, nous ne dessinons que la région où se trouve 95% (par exemple) de la probabilité. Le fait que les orbitales $ \ mathrm {p} $ aient un plan nodal signifie simplement que la probabilité de trouver un électron sur ce plan disparaît.

Un positiviste considérerait donc la trajectoire d'un électron autour d'un noyau comme absurde, puisque par le principe d'incertitude, on ne peut jamais la mesurer.

L'utilisation des orbitales est pour visualiser la densité électronique - où peut être l'électron, la plupart du temps? C'est une manière très utile d'interpréter des phénomènes tels que la réactivité chimique (pensez à $ \ mathrm {S_N2} $ ) ou la stabilité (pensez au $ \ mathrm {p} $ orbitales).

Mais comment un électron peut-il passer d'un côté à l'autre? Fait-il simplement le tour du noyau?
Ce n'est pas le cas. Parler de l'emplacement d'un électron n'a de sens que lors de la prise d'une mesure dont l'acte effondre la fonction d'onde. L'électron peut être des deux côtés en même temps. Le nœud du problème est son interprétation de la gestion de la qualité. [Ici] (http://www.physlab.lums.edu.pk/images/7/7a/Nodes.pdf) est une discussion très intéressante sur le sujet.
#4
+5
Kevin
2012-04-28 22:48:39 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Rappelez-vous, les orbitales ne montrent pas où se trouvent les électrons , elles montrent la densité de probabilité de l'endroit où une mesure les trouverait. Probablement, à une échelle suffisamment proche du noyau (où la probabilité que l'électron soit au départ est extrêmement faible, la fonction d'onde réelle de l'électron est affectée par le noyau de telle manière que soit ils ne peuvent pas se chevaucher, soit la chance est même plus minuscule.

Je suis un peu rouillé, mais je crois que toutes les orbitales mais les 1 ont de toute façon un nœud au niveau ou sur un plan passant par le noyau.

La fonction d'onde est définie pour être centrée autour du noyau, de sorte que la fonction d'onde de l'électron n'est pas affectée par le noyau, sauf pour dire que l'origine * est * le noyau.Chaque orbitale a un nœud au noyau.
@Andrew Si je me souviens bien, le potentiel utilisé pour dériver les orbitales utilise uniquement la force EM. À l'échelle nucléaire, les forces fortes et faibles ne changeraient-elles pas cela?
très probablement, mais ceux-ci n'attireraient-ils pas l'électron vers le noyau, à l'opposé de la force EM? La fonction d'onde traite les électrons comme des ondes et ignore donc les forces nucléaires.
@Andrew: Toutes les orbitales * s * ont un * anti-nœud * à l'origine.
#5
  0
Aniruddha Deb
2019-12-24 16:06:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Une réponse un peu rigoureuse ici. C'est l'explication que j'ai reçue à l'école.

Le principe d'incertitude de Heisenberg stipule que $$ \ Delta x \ Delta v \ ge \ frac h {4 \ pi m } $$

Maintenant, le noyau a un rayon de l'ordre de 10 $ ^ {- 15} $ m. Cela signifie que pour qu'un électron existe dans le noyau, $ \ Delta x $ doit être dans $ 2 \ times 10 ^ {-15} $ m. En substituant des valeurs et en supposant l'égalité comme cas limite, nous obtenons $$ \ Delta v = \ frac h {4 \ pi m \ Delta x} = \ frac {6,626 \ fois 10 ^ {-34}} {4 \ pi \ fois 9,1 \ fois 10 ^ {- 31} \ fois 2 \ fois 10 ^ {15}} \ environ 2,89 \ fois 10 ^ {10} $$

C'est environ 100 fois la vitesse de la lumière. Ceci est impossible, donc par contradiction, nous voyons qu ' un électron ne peut pas exister dans le noyau .

Pour une approche mathématique plus rigoureuse, le noyau peut être supposé être une sphère (ici, j'ai supposé qu'il s'agissait plutôt d'un chemin unidimensionnel). Vous pouvez ensuite remplacer $ \ Delta x $ par $ \ Delta \ vec r $ et évaluer le principe d'incertitude en trois dimensions en utilisant des coordonnées cartésiennes ou sphériques. Vous obtiendriez une réponse similaire dans ces cas également



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
Loading...