Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Podobne dokumenty
Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Atom wodoru. Model klasyczny: nieruchome jądro +p i poruszający się wokół niego elektron e w odległości r; energia potencjalna elektronu:

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

Chemia Ogólna wykład 1

Wykład Budowa atomu 3

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

Budowa atomów. Atomy wieloelektronowe Układ okresowy pierwiastków

Stara i nowa teoria kwantowa

Podstawy mechaniki kwantowej. Jak opisać świat w małej skali?

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Podstawy mechaniki kwantowej

Podstawy mechaniki kwantowej

Atom wodoru i jony wodoropodobne

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Elektronowa struktura atomu

JEDNOSTKI ATOMOWE =1, m e =1, e=1, ; 1 E 2 h = 4, J. Energia atomu wodoru lub jonu wodoropodobnego w jednostkach atomowych:

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

p.n.e. Demokryt z Abdery. Wszystko jest zbudowane z niewidzialnych cząstek - atomów (atomos ->niepodzielny)

Liczby kwantowe n, l, m l = 0 l =1 l = 2 l = 3

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

FALE MATERII. De Broglie, na podstawie analogii optycznych, w roku 1924 wysunął hipotezę, że

Mechanika kwantowa. Mechanika kwantowa. dx dy dz. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki? Równanie Schrödingera. zasada zachowania energii

że w wyniku pomiaru zmiennej dynamicznej A, której odpowiada operator αˆ otrzymana zostanie wartość 2.41?

Zasady obsadzania poziomów

Podstawy chemii obliczeniowej

Podstawy chemii obliczeniowej

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Atom wodoropodobny. Biegunowy układ współrzędnych. współrzędne w układzie. kartezjańskim. współrzędne w układzie. (x,y,z) biegunowym.

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Cząsteczki. 1.Dlaczego atomy łącz. 2.Jak atomy łącz. 3.Co to jest wiązanie chemiczne? Jakie sąs. typy wiąza

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

Elektronowa struktura atomu

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI

REZONANSY : IDENTYFIKACJA WŁAŚCIWOŚCI PRZEZ ANALIZĘ FAL PARCJALNYCH, WYKRESY ARGANDA

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Chemia kwantowa. Pytania egzaminacyjne. 2010/2011: 1. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej.

Liczby kwantowe elektronu w atomie wodoru

Wykład Budowa atomu 2

c) prawdopodobieństwo znalezienia cząstki między x=1.0 a x=1.5 jest równe

Metody analizy pierwiastków z zastosowaniem wtórnego promieniowania rentgenowskiego. XRF, SRIXE, PIXE, SEM (EPMA)

gęstością prawdopodobieństwa

Równanie Schrödingera dla elektronu w atomie wodoru Równanie niezależne od czasu w trzech wymiarach współrzędne prostokątne

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład X

Temat: Promieniowanie atomu wodoru (teoria)

III. EFEKT COMPTONA (1923)

Stany skupienia materii

FIZYKA-egzamin opracowanie pozostałych pytań

Atomy wieloelektronowe

1. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej.

Wykład 9 Podstawy teorii kwantów fale materii, dualizm falowo-korpuskularny, funkcja falowa, równanie Schrödingera, stacjonarne równanie

Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu

Postulaty interpretacyjne mechaniki kwantowej Wykład 6

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

Spektroskopia magnetyczna

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

(U.13) Atom wodoropodobny

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

Kwantowa natura promieniowania

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład IX

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

I. Budowa atomu i model atomu wg. Bohra. 1. Atom - najmniejsza część pierwiastka zachowująca jego właściwości. Jądro atomowe - protony i neutrony

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład X

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

Konfiguracja elektronowa atomu

Wykład Atom o wielu elektronach Laser Rezonans magnetyczny

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

r. akad. 2012/2013 Atom wodoru wykład V-VI Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Atom wodoru Zakład Biofizyki 1

Równanie falowe Schrödingera ( ) ( ) Prostokątna studnia potencjału o skończonej głębokości. i 2 =-1 jednostka urojona. Ψ t. V x.

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

r. akad. 2012/2013 Atom wodoru wykład 5-6 Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Atom wodoru Zakład Biofizyki 1

Wstęp do astrofizyki I

Odp.: F e /F g = 1 2,

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

Rysunek 3-23 Hipotetyczne widmo ciągłe atomu Ernesta Rutherforda oraz rzeczywiste widmo emisyjne wodoru w zakresie światła widzialnego

Atomy mają moment pędu

Elektrostatyka. Potencjał pola elektrycznego Prawo Gaussa

λ(pm) p 1 rozpraszanie bez zmiany λ ze wzrostem λ p e 0,07 0,08 λ (nm) tł o

Układy wieloelektronowe

Model Bohra budowy atomu wodoru - opis matematyczny

W6. Model atomu Thomsona

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Wykład 5 Widmo rotacyjne dwuatomowego rotatora sztywnego

II.5 Sprzężenie spin-orbita - oddziaływanie orbitalnych i spinowych momentów magnetycznych

Wykład Budowa atomu 1

13.1 Układy helopodobne (trójcząstkowe układy dwuelektronowe)

Wczesne modele atomu

Atomy w zewnętrznym polu magnetycznym i elektrycznym

gdzie λ - długość fali, h - stała Plancka, p - pęd cząstki.

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Funkcja falowa Równanie Schrödingera

Teoria Orbitali Molekularnych. tworzenie wiązań chemicznych

BUDOWA ATOMU cd. MECHANIKA KWANTOWA

Transkrypt:

Mechanika kwantowa Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Mechanika kwantowa Elektron fala stojąca wokół jądra

Mechanika kwantowa Równanie Schrödingera Ĥ E ψ H ˆψ = Eψ operator różniczkowy Hamiltona energia funkcja falowa h d d d + + m dx dy dz operator energii kinetyczna energia kinetyczna elektronu Hˆ = Tˆ + Vˆ zasada zachowania energii operator energii potencjalnej Z e 4πε r przyciąganie Coulombowskie jądro-elektron m masa cząstki Z ładunek jądra ε stała dielektryczna 3próż

4 Równanie Schrödingera postać h πm ψ ψ + + x y ψ z Ze r dla atomu wodoru Z= ( proton) ψ = Eψ energia kinetyczna elektronu przyciąganie Coulombowskie jądro-elektron rozwiązania energia E funkcja falowa Ψ

r 5 Równanie Schrödingera rozwiązania energia E E = Z n π me h 4 n=3 n=4 n= n =,,3... główna liczba kwantowa n=

Równanie Schrödingera rozwiązania moment pędu M = l( l + ) h π energia nie jest jedyną kwantowaną wielkością fizyczną składowa momentu pędu wzdłuż kierunku z M z = m h π l =,,,3...n- poboczna/orbitalna liczba kwantowa m = -l,...,,, +l magnetyczna liczba kwantowa 6

Równanie Schrödingera rozwiązania składowa momentu pędu wzdłuż kierunku z przestrzenne kwantowanie momentu pędu elektronu M w atomie wodoru (l=) Obliczmy M dla l=: h h M = 3 = 6 π π Składowe M z wynoszą: h h h,,,, h π π π π 7

8 Równanie Schrödingera rozwiązania? spin Ruch obrotowy elektronu nosi nazwę spinu. Elektron ma dwa stany spinowe, oznaczane strzałkami i. Możemy sobie wyobrazić, że elektron obraca się z pewną prędkością w kierunku wskazówek zegara przeciwnym (stan, + / ) lub z identyczna prędkością w kierunku przeciwnym (stan, - /). Ponieważ wirujący ładunek elektryczny wytwarza pole magnetyczne, elektrony znajdujące się w tych dwóch stanach spinowych można rozróżnić na podstawie ich zachowania się w polu magnetycznym.

Liczby kwantowe kreśla ielkość izyczną nergię oment pędu kładową omentu pędu kładową spinu rozwiązania wzór E = n Z M = l( l + ) M z = m σ z = m s h π π me h h h π 4 przyjmuje wartości główna: n=,,3, poboczna: l=,,, n- magnetyczna: m=-l, (-l+), (l-), l magnetyczna spinowa: określa funkcje falowe Ψ rozmiar orbitalu kształt orbitalu kierunek orbitalu znak orbitalu 9

Liczby kwantowe rozwiązania Ψ,, s Ψ,, s Ψ,,- Ψ,, p Ψ,, l = 3 4 s p d f g Ψ 3,, 3s Ψ 3,,- Ψ 3,, 3p ψ 3,, Ψ 3,,- Ψ 3,,- Ψ 3,, 3d Ψ 3,,

Równanie Schrödingera funkcja falowa interpretacja Funkcja falowa w interpretacji Funkcja falowa w interpretacji Borna. Prawdopodobieństwo Borna. Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym znalezienia elektronu w danym punkcie jest proporcjonalne do punkcie jest proporcjonalne do kwadratu funkcji falowej (Ψ kwadratu funkcji falowej (Ψ ): ): prawdopodobieństwo to jest prawdopodobieństwo to jest wyrażone przez stopień wyrażone przez stopień zaczernienia paska u dołu. zaczernienia paska u dołu. Gęstość prawdopodobieństwa Gęstość prawdopodobieństwa w węźle wynosi. Węzeł jest w węźle wynosi. Węzeł jest punktem, w którym funkcja punktem, w którym funkcja falowa przechodzi przez. falowa przechodzi przez.

Równanie Schrödingera funkcja falowa interpretacja Zgodnie z postulatem Bohrna, prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym punkcie przestrzeni jest proporcjonalne do kwadratu funkcji falowej w tym punkcie. Tam gdzie funkcja falowa ma dużą ampitudę, istnieje duże prawdopodobieństwo znalezienia opisanego przez nią elektronu. Tam gdzie funkcja falowa jest mała, znalezienie elektronu jest mało prawdopodobne. Tam gdzie funkcja falowa jest równa, znalezienie elektronu jest niemożliwe. W mechanice kwantowej można przewidywać tylko prawdopodobieństwo znalezienia cząsteczki w danym miejscu.

3 Równanie Schrödingera funkcja falowa interpretacja Funkcja falowa elektronu w atomie ma tak istotne Funkcja falowa elektronu w atomie ma tak istotne znaczenie, iż nadano jej specjalną nazwę orbital znaczenie, iż nadano jej specjalną nazwę orbital atomowy. Orbital można poglądowo przedstawić atomowy. Orbital można poglądowo przedstawić jako chmurę otaczająca jądro atomu; gęstość jako chmurę otaczająca jądro atomu; gęstość chmury reprezentuje prawdopodobieństwo chmury reprezentuje prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w każdym punkcie. znalezienia elektronu w każdym punkcie.

4 Równanie Schrödingera rozwiązania funkcja falowa y ψ n, l, m = R r ( ) φ( ϕ) θ ( γ ) γ ϕ r y x część radialna część kątowa

5 Równanie Schrödingera ( ) ( ) ( ) γ θ ϕ φ ψ = r R m l n,, rozwiązania funkcja falowa p x p y ± p z s s Ψ n,l,m symbol m l n 3 a r e a 3 3 a r e a r a ( ) cosγ 4 6 3 a r e a r a ( ) sinγ sinϕ 4 6 3 a r e a r a ( ) ϕ sinγ cos 4 6 3 a r e a r a 4 e m h a e π =

6 Równanie Schrödingera rozwiązania funkcja falowa gęstość prawdopodobieństwa ψ [ R( r) φ( ϕ) θ ( )] = γ n, l, m

7 Równanie Schrödingera rozwiązania funkcja falowa gęstość prawdopodobieństwa ψ [ R( r) φ( ϕ) θ ( )] = γ n, l, m P=Ψ dv s odległość od jądra, r

8 Równanie Schrödingera rozwiązania funkcja falowa gęstość prawdopodobieństwa

Równanie Schrödingera rozwiązania funkcja falowa gęstość prawdopodobieństwa rozkład radialny ψ ( ) [ φ( ϕ) θ ( )] = R r γ n, l, m 4πr R(r) dr sumujemy/ całkujemy Ψ po γ i ϕ s rozkład radialny gęstości a odległość od jądra, r 9

Równanie Schrödingera rozwiązania funkcja falowa gęstość prawdopodobieństwa rozkład radialny

Równanie Schrödingera rozwiązania funkcja falowa składowa radialna orbitale r R(r) s -= 4πr R(r) 4s 4-=4 4p 4-=3 3d 3-=

Wizualizacja orbitali Ψ,, 7_5 Nodes Node,, s Ψ,, s Ψ 3,, 3s s s (a) 3s P=9% s s (b) 3s

3 Wizualizacja orbitali Ψ,, s Ψ,, s

4 _6B Wizualizacja orbitali Ψ,,- Ψ,, p Ψ,, z z z y y y x x p x p y p z

5 Wizualizacja orbitali Ψ,,- Ψ,, p Ψ,, p z

6 Wizualizacja orbitali 3p z

7 _8B Wizualizacja orbitali z z y y z y Ψ 3,,- Ψ 3,,- Ψ 3,, 3d Ψ 3,, Ψ 3,, x x x d xz d yz d xy z z y y x x

8 Wizualizacja orbitali Ψ 3,,- Ψ 3,,- Ψ 3,, 3d Ψ 3,, Ψ 3,, 3d yz 3d z

9 7_9 y Wizualizacja orbitali z z z x x y f z 3-3 5 zr f x 3-3 5 xr f y3-3 5 yr y x Ψ 4,3,-3 Ψ 4,3,- Ψ 4,3,- 4f Ψ 4,3, Ψ 4,3, Ψ 4,3, Ψ 4,3,3 z z z z x x x x y y y f xyz f y(x - z ) f x(z - y ) f z(x - y )

3 Widmo doświadczalne

3 = = = 4 4 4 j i h me i h me j h me E E E i j π π π 9 677 = R R = cm n n H H ν ν λ λ ν hc hc c h h E = = = = = 3 4 j i c h me π ν Interpretacja widma Wyprowadzenie wzoru Balmera Zmiana energii elektronu w czasie przejścia ze stanu j do stanu i (j>i)

Interpretacja widma Przykład Identyfikacja linii w widmie wodoru Oblicz długość fali fotonu emitowanego przez atom wodoru w wyniku przejścia elektronu z orbitalu o n = 3 do orbitalu o n =. Zidentyfikuj na rysunku (widmo wodoru) linię spektralną odpowiadającą temu przejściu. Oblicz różnicę między dwoma poziomami energetycznymi, korzystając z równania E = -(hr H )/n, a następnie oblicz długość fali odpowiadającą tej różnicy energii. Różnica energii między poziomem o liczbie kwantowej n i energii hr H /n i drugim poziomem o liczbie kwantowej n i energii hr H /n jest równa: E = (/n -/n )hr H n = 3 i n = ; R H stała Rydberga =3.8984 5 Hz; przeliczyć częstość na długość fali 3

33 Przykład Identyfikacja linii w widmie wodoru różnica energii między dwoma stanami: E = (/ /3 ) h (3.9 5 Hz) częstość emitowanego światła wynosi: ν = E/h = (/ /3 ) (3.9 5 Hz) długość fali promieniowania jest równa: λ= c/ν = (3, 8 m/s)/(/ /3 ) (3.9 5 Hz) λ = 6.57-7 m

34 Przykład Identyfikacja linii w widmie wodoru

35

36 Widmo doświadczalne Na H Ca Hg Ne