Как электроны перескакивают орбитали?

Пока ответы кажутся довольно хорошими, но я хотел бы попробовать немного другой угол.

Прежде чем я перейду к атомным орбиталям, что значит для электрона «быть» где-то? Предположим, я смотрю на электрон и вижу, где он находится (предположим, у меня есть очень сложный/чувствительный/точный микроскоп). Звучит просто, но что я сделал, когда «посмотрел» на электрон? Должно быть, я наблюдал какой-то фотон, который только что взаимодействовал с этим электроном. Если я хочу получить представление о движении электрона (не только о его мгновенном импульсе, а о его положении как функции времени), мне нужно наблюдать его в течение определенного периода времени. Однако это проблема, потому что я могу наблюдать электрон только каждый раз, когда он взаимодействует с фотоном, который я могу наблюдать. На самом деле я не могу постоянно наблюдать за электроном, я могу только делать снимки его положения.

Так что же делает электрон между наблюдениями? Я не думаю, что кто-то может ответить на этот вопрос. Все, что мы можем сказать, это то, что когда-то электрон наблюдался в точке А, а позже он наблюдался в точке В. Он попал из А в В... каким-то образом. Это приводит к другому взгляду на то, где находится электрон (или другая частица).

Если я знаю некоторые свойства электрона, я могу предсказать, что с большей вероятностью увижу электрон в одних местах, чем в других. Отличным примером этого являются атомные орбитали. Орбиталь описывается четырьмя квантовыми числами, которые я буду называть$n$,$l$,$m$,$s$(есть несколько обозначений; я думаю, что это достаточно распространено).$n$это описание того, сколько энергии имеет электрон,$l$описывает его полный угловой момент,$m$несет некоторую информацию об ориентации его углового момента и$s$характеризует его спин (спин — это отдельная тема, а пока скажем, что это свойство, которым обладает электрон). Если я знаю эти 4 свойства электрона, связанного с атомом, то я могу предсказать, где я, скорее всего, увижу электрон. Для некоторых комбинаций$(n,l,m,s)$распределение простое (например, сферически-симметричное), но часто оно может быть довольно сложным (с лепестками или кольцами, где я с большей вероятностью найду электрон). Всегда есть шанс, что я смогу наблюдать электрон ВЕЗДЕ, но ГОРАЗДО ВЕРОЯТНЕЕ, что я найду его в какой-то конкретной области. Это обычно называют распределением вероятностей положения электрона. Иллюстрации, подобные этим , вводят в заблуждение, потому что они рисуют четкую грань распределения вероятностей; что на самом деле показано, так это область, в которой электрон будет находиться в довольно большом проценте случаев.

Таким образом, ответ на вопрос о том, как электрон «прыгает» между орбиталями, на самом деле такой же, как и о том, как он движется внутри одной орбитали; это просто "делает". Отличие в том, что для изменения орбиталей необходимо какое-то свойство электрона (одно из описанных$(n,l,m,s)$) должен измениться. Это всегда сопровождается испусканием или поглощением фотона (даже в перевороте спина участвует фотон (очень низкой энергии).

Другой способ думать об этом состоит в том, что электрон не имеет точного положения, а вместо этого занимает все пространство, а наблюдения за положением электрона являются просто проявлениями более фундаментальной «волновой функции», свойства которой определяют, среди прочего, вероятность распределение для наблюдения за положением.

Представьте себе электрон на большом расстоянии от атома, вокруг которого ничего нет. Электрон не «знает» об атоме. Мы заявляем, что он имеет нулевую энергию. Ничего интересного не происходит. Это наша точка отсчета.

Если электрон движется, но еще далеко от атома, он обладает кинетической энергией. Это всегда положительно. Электрон, еще не взаимодействующий с атомом, может двигаться как ему заблагорассудится. Он обладает положительной энергией, причем в любом количестве. Его волновая функция представляет собой простую бегущую плоскую волну или некую их линейную комбинацию, образующую, например, сферическую волну. Его длина волны, относящаяся к кинетической энергии, может быть любой.

Когда электрон приближается к атому, противоположные заряды притягиваются, и говорят, что электрон застрял в потенциальной яме. Он движется, поэтому имеет положительную (всегда) кинетическую энергию, но кулоновская потенциальная энергия отрицательна и в большей степени. Электрон должен замедляться, если он удаляется от атома, чтобы поддерживать постоянную полную энергию системы. Он достигает нулевой скорости (нулевой кинетической энергии) на некотором конечном расстоянии, хотя квантовая механика допускает небольшой обман с экспоненциально убывающей волновой функцией за пределами этого расстояния.

Электрон ограничен небольшим пространством, сферической областью вокруг ядра. При этом длина волны его волновой функции должна в каком-то смысле «вписываться» в это пространство — ровно один, или два, или три, или n узлов должны вписываться по радиусу и по окружности. Мы используем знакомое квантовое число n,l,m. Существуют дискретные уровни энергии и различные волновые функции для каждого квантового состояния.

Обратите внимание, что у свободного электрона с положительной энергией есть все пространство, в котором он может перемещаться, и поэтому ему не нужно подгонять какое-либо конкретное число длин волн к чему-либо, поэтому он имеет непрерывный спектр энергетических уровней и три действительных числа (волновой вектор) для описания его состояние.

Когда атом поглощает фотон, электрон перескакивает, скажем, с 2s-орбитали на 3p-орбиталь, в это время электрон не находится ни на одной орбитали. Его волновая функция может быть записана как изменяющаяся во времени смесь нормальных орбиталей. Задолго до поглощения, которое для атома составляет несколько фемтосекунд или около того, эта смесь находится на 100% в состоянии 2s, а через несколько фемтосекунд или около того после поглощения это 100% состояние 3p. Между тем, во время процесса поглощения это смесь множества орбиталей с сильно меняющимися коэффициентами. Где-то в 1980 или 1981 году в Physical Review A была статья, iirc, в которой показаны некоторые графики и изображения, а также некоторые подробности. Может быть, это были «Обзоры современной физики». В любом случае, имейте в виду, что эта смесь — всего лишь математическое описание.

Более энергичный фотон может вытолкнуть электрон из атома из одного из его дискретных состояний с отрицательной энергией орбиты в свободное положительное состояние — как правило, расширяющуюся сферическую волну — это то же самое, что и раньше, но вместо того, чтобы устойчивое 3p, волновая функция электрона заканчивается сферической расширяющейся оболочкой.

Я хотел бы показать несколько фотографий, но это займет время, чтобы найти или сделать...

Конечно, электроны МОГУТ перемещаться между орбиталями, хотя они делают это нетрадиционным (классическим) способом.

Вопрос о перемещении электронов между орбиталями является предметом либо релятивистской квантовой механики, либо, как это называется по-другому, квантовой теории поля или квантовой электродинамики.

На словах могу описать ситуацию следующим образом.

Орбитали - это не МЕСТА, это СОБСТВЕННЫЕ СОСТОЯНИЯ оператора энергии. Электрон может находиться в любом состоянии, но это любое состояние можно представить суперпозицией собственных состояний.

Итак, электрон, летящий с орбиты$\psi_1$на орбиту$\psi_2$описывается состоянием$a \psi_1 + b \psi_2$куда$a$а также$b$- комплексные веса компонентов суперпозиции. Они меняются со временем,$a=1; b=0$в начале процесса и$a=0; b=1$.

Кроме того, вы знаете, что$|a|^2 + |b|^2=1$в любой момент.

Закон этого изменения экспоненциальный, т.е.$a(t) \sim e^{-\lambda t}$.

Параметры этого показателя зависят от времени жизни состояния. Чем короче срок службы, тем больше наклон экспоненты. Также время жизни также связано с неопределенностью состояния. Чем шире государство, тем короче его жизнь.

Здесь я рассмотрю некоторые неправильные представления в вопросе, на которые не ответил DarenW.

Мой вопрос не в том, как они получают энергию для прыжка, а в том, почему. Когда кто-то смотрит на спектр излучения элемента, мы видим линейчатый спектр, который доказывает, что они не существуют вне своих орбиталей (иначе мы увидели бы непрерывный спектр).

Эти спектры излучения и поглощения

континуум

спектр излучения

поглощение

Приходят с атомных орбиталей, как объяснено в ответе DarenW. То есть ядро ​​с его положительным зарядом, скажем, гелий с зарядом +2, имеет вокруг себя два электрона, «вращающихся» по разрешенным решениями квантово-механической задачи «орбитам». Где «орбиты» означают пространственное расположение в трехмерном пространстве, где высока вероятность обнаружения электронов сферической формы вокруг ядра с очень специфическими квантовыми числами.

Электроны могут высвобождаться в форме бета-распада, тем самым доказывая, что они способны перемещаться за пределы орбиталей, вопреки утверждению моего учителя, что они остаются внутри орбиталей. Т

Это заблуждение. Бета-распады происходят, когда нейтрон превращается в протон и электрон, и это явления, относящиеся к ядру, а не к атому. Атом хорошо описывается электромагнитными взаимодействиями, ядро ​​описывается сильными взаимодействиями и слабыми взаимодействиями. Бета-распад — это слабое взаимодействие. Таким образом, электрон бета-распада является свободным электроном после того, как он материализуется и выбрасывается из ядра, особенно если все места на свободных электронных орбитах заполнены. Затем ядро ​​превращается в ядро ​​изотопа с зарядом Z+1.

Вот как в настоящее время визуализируется распад нейтрона

Как электроны перемещаются между орбиталями, исключая энергию, добавленную для возбуждения электронов,

Вы должны добавить энергию, чтобы возбудить электроны на более высокие орбитали, и обычно это происходит с помощью фотона энергии промежутка между орбиталями.

и почему иногда вместо электронов при бета-распаде образуются позитроны?

Из википедии о захвате электронов

Во всех случаях, когда β+-распад энергетически разрешен, разрешен и процесс электронного захвата, когда атомный электрон захватывается ядром с испусканием нейтрино.

Это означает, что протон в ядре превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино. Это понизит ядерный Z на одну единицу и вызовет каскад электронов с более высокой орбиты, попадающих в дыру, оставленную захваченным.

Электроны не являются частицами, поскольку они существуют в атоме. Я считаю, что волна электрона возмущается чем-то, что происходит из ядра. Ядро не устойчиво, но его члены все время находятся в движении. Так сказать, в определенное время происходит экскурсия или событие одного из членов или поля ядра. Это может быть причиной того, что электрон перемещается на более высокую оболочку. Точно так же произойдет атомный распад. Думайте о периоде полураспада. Так что это вероятностно.