Как существуют орбитали в атоме?

Здесь уже есть хороший ответ, но, похоже, все еще есть некоторая путаница, поэтому я также внесу свой вклад.

Области на ваших диаграммах соответствуют «наиболее вероятному месту нахождения электрона», если бы он находился именно в этом состоянии. Кроме того, области определяются некоторой пороговой вероятностью обнаружения электрона в этом месте. Так что технически все орбитали «перекрываются», потому что амплитуда вероятности определена для всего пространства. Мы просто делаем эти диаграммы, показывая только наиболее вероятные регионы.

Проблема, с которой вы, кажется, сталкиваетесь, заключается в том, что «местоположение» электрона определяет, на какой орбитали он находится. На самом деле все наоборот. Орбиталь, на которой находится электрон, определяет его амплитуду вероятности в базисе положения.

Таким образом, существует множество причин (вероятно, больше, чем я только что сказал), чтобы мириться с «перекрывающимися» орбиталями.

1. Области на диаграмме соответствуют одиночным орбиталям, если электрон находился только на этой орбитали (без суперпозиций).
2. Области на диаграмме просто показывают часть плотности вероятности. Технически плотность вероятности определена во всем пространстве, поэтому все орбитали «перекрываются» во всех точках пространства.
3. «Местоположение» электрона не определяет, на какой орбитали он находится. Если электрон находится на какой-то заданной орбитали, мы можем использовать диаграмму, чтобы определить наиболее вероятную область, в которой можно наблюдать электрон.

Хорошо, теперь я понял тебя. Я постараюсь объяснить ваш вопрос в комментарии простыми словами.

Если согласиться с тем, что 1S и 2P орбитали имеют разную энергию, то объем пространства, общий для этих двух орбиталей, не может существовать, так как они имеют совершенно разные энергии, но по рисунку и "моему мнению о наблюдении" кажется, что да .Это аномалия. Я просто спрашиваю, как вы объясните вероятность нахождения электрона в объеме пространства, общем для двух орбиталей.

Обратите внимание, однако, что чрезвычайно сложно (и «опасно») пытаться объяснить это тому, кто знает не намного больше, чем QM средней школы, но я попытаюсь.

Я пойду один за другим.

If we agree to the fact that 1S and 2P orbitals have different energies

Да. Ну, мы не просто «согласны», это просто так, и это можно показать. Это верно.

then the volume of space common to those two orbitals cannot exist as they have quite different energies

Что? Почему объем не может существовать? Объем представляет собой настоящий трехмерный объем. Он может быть пустым, но он существует.

Более того, нет ничего плохого в том, что два электрона вместе имеют разные энергии. Принцип запрета Паули запрещает двум электронам иметь одинаковые квантовые числа, но если электроны имеют разные энергии, то вполне нормально находиться в одном и том же месте.

Я просто спрашиваю, как вы объясните вероятность нахождения электрона в объеме пространства, общем для двух орбиталей.

Это более сложно и требует дополнительных знаний в области управления качеством.

Попробую провести интуитивную аналогию.

Допустим, в QM мы просто не знаем вещей, пока не измерим их. Мы не знаем, где находится электрон, пока не измерим его положение. Это отличается от классической механики, где вы можете оценить позиции, просто взглянув на них, не нарушая работу системы. Не здесь; в QM вы ничего не знаете, пока не измерите это.

Итак, как мы измеряем вещи? Независимо от того, как учёные ухитряются разрабатывать соответствующие приборы, измерение — это «выявление» какой-то неизвестной информации. Например: где электрон? Сфотографируй и узнай. «О, это было здесь».

В отличие от классической механики (КМ), квантовая механика (КМ) является случайной. Это означает, что позиция не всегда будет одинаковой, даже в одной и той же системе. Есть существенная случайность.

Итак, давайте перейдем к делу. Представьте, что вы хотите измерить «состояние». Это означает измерение квантовых чисел электрона, чтобы вы могли сказать: «О, это$1s$орбиталь" (давайте пока пренебрежем спином).

Итак, у вас есть атом, вы используете какой-то счетчик и обнаруживаете, что электрон находился в$1s$.

Вы можете измерить другой электрон, находящийся в$2p$, с$m=0$, например.

В QM можно иметь «линейную комбинацию»$1s$и$2p$. В этом случае вы будете иногда измерять$1s$и иногда$2p$. Это случайно, но есть четко определенная вероятность измерения каждого из них. Вероятность зависит от конкретной запутанности, которую вы имеете.

Так что это более сложный ответ на первый вопрос: тот же самый электрон можно найти в$1s$или$2p$, в зависимости от вашей удачи. Это странно для новичков, но это базовый QM.

Это просто для создания некоторых идей. Впрочем, это был не ваш вопрос . Если я правильно понял, ваш вопрос был в том, как электрон может находиться в «общем объеме» , верно?

Ну, это потому, что орбиталь не исключает одного уровня, как вы можете видеть на картинке.

Орбиталь, которую вы там видите, — это «объем, в котором она, вероятно, измеряется$2p$".

Вы должны связать квантовые числа с электроном, а не с объемом . Объем — это свободная земля, а состояния (Квантовые числа) принадлежат электрону. Таким образом, электрон может двигаться вокруг$1s$орбитальный. Это означает только то, что «электрон находится в объеме, в котором$1s$электроны, вероятно, будут там».

Так что это похоже на туриста, посещающего другую страну или землю, разделяемую двумя странами. Дело в том, что когда мы проводим измерение, мы спрашиваем у электрона его паспорт, а потом смотрим, был ли он$1s$или$2p$.

Подводить итоги:

• Орбитали, которые вы там видите, не похожи на уровни Бора. В уровнях Бора электрон, находящийся на уровне, автоматически подразумевает наличие энергии этого уровня.
• Тем не менее, это не уровень представления. Это картина «томов, которые каждая национальность использует для посещения».
• Некоторые подтома могут посещать представители нескольких «национальностей», но это не означает, что посетители меняют свою национальность.
• Однако QM позволяет быть «сочетанием национальностей». Это случайным образом показывать вам разные паспорта. Это происходит в запутанных состояниях.

(Если быть точным, то, показав вам один, он останется им навсегда. После измерения «система» выбирает только один и остается с ним. Удивительно то, что идентичные системы, строго идентичные, могут показать любой из этих паспорта, случайным образом.)

Так что это все. Надеюсь, я помог.

Электрон может занимать только одну орбиталь в любой момент времени, то есть, например, он может находиться либо на 1s, либо на 2p, но определенно не на обеих орбиталях. Это потому, что две орбитали имеют совершенно разные энергии.

Это совершенно верно для орбиталей, определяемых главным квантовым числом n , отождествляемых с собственным значением энергии в простых квантово-механических решениях для атома водорода и математически экстраполируемых на электроны в атомах и молекулах.

Обратите внимание, что$n$связан с волновой функцией, комплексно-сопряженный квадрат волновой функции определяет орбитали, т. е. орбитали представляют собой распределение вероятностей, дающее значение вероятности нахождения электрона в определенном (r, тета, фи).

Обратите внимание, что все s-состояния, то есть нулевой угловой момент, имеют вероятность существования около r=0. Это не означает, что они имеют одинаковую энергию, потому что квантово-механическое решение для потенциала просто дает вероятности.

В классической планетарной модели энергия орбиты зависит от расстояния от центра силы/потенциала. В квантово-механической модели энергия является собственным значением решения квантово-механического уравнения с потенциалом, но решения не связаны с пространственными координатами, кроме как через вероятности.

В ядрах, богатых протонами, может произойти захват электрона , потому что в таких ядрах существует достаточно большая вероятность того, что электроны в s-состоянии перекроются с распределением вероятностей протона, и протон превратится в нейтрон и другое ядро. Это сложный процесс, который существует благодаря вероятностной природе квантовой механики.

Цифру, которую вы приводите, не следует воспринимать слишком буквально. Он изображает орбитали как имеющие постоянное значение в пространстве. В действительности существуют положительные и отрицательные, вообще комплекснозначные области. Две орбитали различны, если они ортогональны, то есть если интеграл по всему пространству от их произведения равен нулю. Поскольку этот один гранд может иметь любой знак, поэтому не требуется, чтобы одна орбиталь была равна нулю везде, где другая отлична от нуля.