Οι σύγχρονες αντιλήψεις για το άτομο-κβαντομηχανική Οι σύγχρονες αντιλήψεις για το άτομο-κβαντομηχανική Το σύγχρονο κβαντομηχανικό μοντέλο του ατόμου προέκυψε από πολυετείς επιστημονικές ζυμώσεις στις οποίες συμμετείχαν πολλοί διακεκριμένοι επιστήμονες της εποχής εκείνης (1900-1930). Αν θέλαμε όμως να ξεχωρίσουμε κάποιους, αυτοί θα ήταν: Ο Γάλλος φυσικός Louis De Broglie (1892-1987) O Γερμανός φυσικός Werner Heisenberg(1901-1976) και Ο Αυστριακός φυσικομαθηματικός Erwin Schrodinger (1887-1961)

Η κυματική θεωρία της ύλης (1923) Η κυματική θεωρία της ύλης (1923) Το 1873 ο Maxwell διατύπωσε της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Σύμφωνα με αυτή το φώς είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα Το 1900 ο Planck υποστήριξε ότι το φως, όπως και κάθε ακτινοβολία, δεν μεταδίδεται με συνεχή τρόπο αλλά σε μικρά πακέτα, τα οποία ονόμασε κβάντα ή φωτόνια. Ως γνωστό κάθε φωτόνιο μεταφέρει ενέργεια Ε=h.ν Το 1923 ήταν αποδεκτό ότι τα φωτόνια είχαν κυματικά και σωματιδιακά χαρακτηριστικά. Αφού λοιπόν συμβαίνει αυτό, ο De Broglie δέχεται αξιωματικά ότι ίσως και όλες οι μορφές της ύλης έχουν εκτός από σωματιδιακές και κυματικές ιδιότητες Το μήκος κύματος λ ενός σωματιδίου μάζας m και ταχύτητας υ, δίνεται από την σχέση:

Αν λοιπόν θεωρήσουμε ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο που κινούνται με την ίδια ταχύτητα υ, σε ποιο σωματίδιο αντιστοιχεί μικρότερο μήκος κύματος;

Το ηλεκτρόνιο λοιπόν έχει διττή φύση: είναι σωματίδιο αλλά είναι και κύμα. Προφανώς η υπόσταση του ηλεκτρονίου είναι μία. Απλά άλλες φορές εκδηλώνεται η σωματιδιακή του υπόσταση και άλλες φορές η κυματική , ανάλογα με τις πειραματικές συνθήκες. Π.χ Η περίθλαση ηλεκτρονίων είναι μια καθαρά κυματική ιδιότητα

Πείραμα Young

Περίθλαση ηλεκτρονίων Περίθλαση ηλεκτρονίων

Παρατηρήστε τις παρακάτω φωτογραφίες: Παρατηρήστε τις παρακάτω φωτογραφίες:

Αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg Στην κλασσική μηχανική είναι δυνατόν να προσδιορίσουμε με ακρίβεια ταυτόχρονα την θέση και την ταχύτητα ενός σώματος Στην περίπτωση όμως μικρών σωματιδίων , όπως τα ηλεκτρόνια που έχουν κυματικές ιδιότητες, αυτό είναι αδύνατον. Το 1927 ο Heisenberg διατύπωσε την αρχή αβεβαιότητας ή απροσδιοριστίας σύμφωνα Είναι αδύνατον να προσδιορίσουμε ταυτόχρονα την θέση και την ορμή (p=m.υ) ενός μικρού σωματιδίου π.χ. ηλεκτρονίου

Επιστημονικές απορίες Επιστημονικές απορίες Αν δεχθούμε ότι το ηλεκτρόνιο είναι κύμα και επειδή κάθε κύμα διαχέεται στον χώρο, πως είναι δυνατόν να προσδιορίσουμε με ακρίβεια την θέση ενός ηλεκτρονίου-κύματος; Αν πάλι δεχθούμε ότι το ηλεκτρόνιο είναι σωματίδιο και είναι δυνατόν να προσδιορίσουμε με ακρίβεια την θέση του (καθορισμένες κυκλικές τροχιές) τότε με βάση τους νόμους της κυκλικής κίνησης μπορούμε να προσδιορίσουμε και την ορμή του , κάτι τέτοιο όμως θα παραβίαζε την αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg Συμπέρασμα Δεν είναι δυνατόν να μιλάμε για καθορισμένες κυκλικές τροχιές του ηλεκτρονίου, αλλά για την πιθανότητα να βρίσκεται το ηλεκτρόνιο σε μια ορισμένη θέση στο χώρο

Ο Schrodinger δίνει λύση στο πρόβλημα Η εξίσωση αυτή αποτελεί για την κβαντομηχανική, ότι και οι νόμοι του Νεύτωνα για την κλασσική μηχανική Η επίλυση της εξίσωσης Schrodinger η οποία απαιτεί ανώτερα μαθηματικά οδηγεί στις κυματοσυναρτήσεις ψ, οι οποίες περιγράφουν την κατάσταση του ηλεκτρονίου με ορισμένη ενέργεια. Οι κυματοσυναρτήσεις αυτές ονομάσθηκαν ατομικά τροχιακά.

Πυκνότητα ηλεκτρονιακού Η κυματοσυνάρτηση ψ δεν έχει κάποια φυσική σημασία. Το τετράγωνο της όμως ψ2 εκφράζει την πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο σε ένα ορισμένο σημείο του χώρου γύρω από τον πυρήνα. Το γινόμενο -e.ψ2 εκφράζει την πυκνότητα του ηλεκτρονιακού νέφους Απόσταση από πυρήνα Πυκνότητα ηλεκτρονιακού νέφους Γραφική παράσταση της πυκνότητας του ηλεκτρονιακού νέφους για το άτομο του υδρογόνου σε θεμελιώδη κατάσταση

Πως όμως απεικονίζουμε σχηματικά το ηλεκτρονιακό νέφος; Πως όμως απεικονίζουμε σχηματικά το ηλεκτρονιακό νέφος; α) με τελίτσες(στιγμές)

β) Με πυκνότητα χρώματος

γ) με «οριακές» καμπύλες Είναι η πιο συνηθισμένη. Το ηλεκτρόνιο έχει 90%- 99% πιθανότητα να βρεθεί εντός του χώρου που καθορίζει η καμπύλη