Как устроены орбитали в атоме?

Может ли кто-нибудь также помочь мне визуализировать атом (т.е. траекторию/движение электрона и прочее)?

Основная помощь состоит в том, чтобы подчеркнуть, что электроны и атомы являются квантово-механическими объектами, а не классическими частицами с непрерывными траекториями в зависимости от (x, y, z, t).

Квантовая механика означает, что на микроскопическом уровне то, что можно увидеть и измерить, является экземпляром (x, y, z, t) в расчетном распределении вероятностей для конкретной орбитали . Орбиты принадлежат планетам и полуклассической модели Бора , которая действительно предсказывает орбиты во взаимно однозначном соответствии с теоретически правильными квантово-механическими вероятностными орбиталями . Вот для атома водорода, что просто:

Что означает этот сюжет? Это означает, что каждая точка — это место в пространстве-времени, где находится один электрон при проведении эксперимента. Существует определенное место (вокруг квазиклассических боровских орбит), но вероятность нахождения электрона в определенных точках (x, y, z, t) определяется выражением$|Ψ|^2$соответствующих волновых функций водорода . (которые были использованы для создания этого сюжета).

Было экспериментально подтверждено существование водородных орбиталей .

То, на что вы смотрите, — это первое прямое наблюдение электронной орбитали атома — реальной волновой функции атома! Для захвата изображения исследователи использовали новый квантовый микроскоп — невероятное новое устройство, которое буквально позволяет ученым заглянуть в квантовую реальность.

Вот более сложные молекулярные орбитали,

В пространстве, где нет электронных орбиталей, могут преобладать притягивающие положительные силы от ядер, поэтому атомы и молекулы могут притягиваться друг к другу и укладываться подобно LEGO в большие структуры.

Чем больше электронов в атоме, тем больше уровней занято. В невозбужденном водороде занята только нижняя орбиталь.

Насколько мне известно, орбитали - это область с наибольшей вероятностью обнаружения электрона.

Да, ты прав.

Допустим на секунду, что я знаю расположение орбиталей (как показано в видео), но что это на самом деле означает, т.е. как на самом деле движутся электроны и прочее?

Видео просто демонстрирует, как устроены орбитали в атоме. Это означает, как электронные облака располагаются вокруг ядра. Изучая строение атома, мы сначала изучаем каждую из орбиталей и их характеристики. Теперь это видео показывает расположение орбиталей вокруг$Sc_{21}$ядро. Обратите внимание, что электроны будут двигаться только в оболочках в соответствии с конфигурацией атома. Например, конфигурация$Sc_{21}$является:

$1s^2 2s^2 p^6 3s^2 p^6 d^1 4s^2$

Таким образом, электроны будут находиться только в этих оболочках. Остальные оболочки$3d$тоже есть, но они пустые.

Может ли кто-нибудь также помочь мне визуализировать атом (т.е. траекторию/движение электрона и прочее)?

Просто надо понимать, что электроны движутся по своим орбиталям, а потом эти орбитали располагаются вокруг ядра. Больше ничего нет.

Вы не можете точно определить траекторию электрона, поэтому это и есть квантовая модель. Вы можете только сказать, где вероятность найти электрон будет максимальной.

Это может помочь визуализировать вещи, чтобы не рассматривать электрон как частицу. Лучше рассматривать его как волну на орбите вокруг ядра. Тогда орбитали находятся там, где волна самая сильная, где «звук» слышен сильнее всего (если вы как бы можете «услышать» волну). "Услышать" электрон далеко за его орбиту можно, но гораздо слабее, т.е. с меньшей вероятностью.

Двойственность электрона как частицы и волны демонстрируется экспериментом с двумя щелями. Эта двойственность — отправная точка в странный мир квантовой механики. Квантовый мир сильно отличается от известного нам макромира, описанного математикой и проверенного множеством экспериментов. Чтобы вычислить орбиты, вы дополнительно добавили немного специальной теории относительности, которая сама по себе является отличной темой. https://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment и https://en.wikipedia.org/wiki/Special_relativity