Квантовая модель атома

обратите внимание, что я старшеклассник, пытающийся понять квантовую модель атома; У меня есть только самое базовое понимание квантовой механики.

Я пытаюсь понять волновую природу электронов в атомах, но не уверен в ряде вещей.

  1. что подразумевается под вероятностным облаком электронов? означает ли это, что электрон быстро движется внутри вероятностного облака/орбитали, присутствует в одних областях дольше, чем в других, или он как бы размазывается по всей орбитали, пока его не заметят?

  2. если электрон существует как стационарная волна вокруг атома, то что такое «колебание»? механические стационарные волны, например, состоят из смещения, колеблющегося с амплитудами, которые меняются в зависимости от положения. Какая физическая величина на самом деле колеблется здесь? Конечно же, сами электроны не двигаются вверх и вниз, не так ли?

Редактировать:

следующий отрывок взят с https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_orbital

Волнообразные свойства:

  1. Электроны не вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, а вместо этого существуют в виде стоячих волн. Таким образом, наименьшая возможная энергия, которую может принять электрон, аналогична основной частоте волны на струне. Состояния с более высокой энергией подобны гармоникам этой основной частоты.

  2. Электроны никогда не находятся в одной точке, хотя вероятность взаимодействия с электроном в одной точке может быть найдена из волновой функции электрона. Заряд электрона действует так, как будто он размазан в пространстве с непрерывным распределением, пропорциональным в любой точке квадрату величины волновой функции электрона.

Если эти стоячие волны являются волнами вероятности, как они могут быть связаны с дискретными уровнями энергии? кроме того, как можно размазать заряд, если самих электронов нет?

Ответы (3)

Давайте сначала обсудим ваш первый вопрос, потому что он составляет суть путаницы.

Облако вероятности электрона — это просто функция | ψ ( р ) | 2 что дает вам плотность вероятности в р соответствует вероятности нахождения электрона в данной области пространства при измерении положения электрона .

Эта вероятность, хотя и очень похожа на вероятность, которая проявляется в классической статистической механике, отличается от классической статистической вероятности в следующем ключевом смысле: в классической статистической механике, когда говорят о вероятности найти где-то электрон, они не Это не означает, что электрон на самом деле не находится в каком-либо определенном месте до измерения. В квантовой механике мы действительно имеем в виду это. Итак, ваше предположение о том, что электрон проводит больше времени в одном месте, чем в другом, имело бы смысл, если бы мы говорили о вероятностях частицы в классической механике. Однако в квантовой механике это не так. На самом деле электрон просто не имеет никакого положения, пока вы его не измерите. Таким образом, также неверно, что электрон каким-то образом рассредоточен или имеет несколько положений одновременно.

Важнейшее понимание квантовой механики состоит в том, что невозможно сразу четко связать все физические величины с частицей. Некоторые физические величины несовместимы друг с другом, это означает, что если у частицы есть четко определенное значение первой величины, у нее нет четко определенного значения другой величины. Что у нас есть, так это вероятности различных значений этой другой величины, которые мы получим, когда измерим эту величину для данной частицы. Самая известная пара несовместимых величин — это пара импульса и положения. Квантовая частица не может одновременно иметь точно определенное положение и четко определенный импульс. Однако для свободной квантовой частицы

Итак, в заключение, облако вероятности — это то, что оно есть, облако вероятности. И эта вероятность отличается от классических вероятностей в описанном выше смысле.

На второй вопрос ответить намного проще. Воспроизведу то, что написал в одном из комментариев:

«Волновая функция» — это просто название, не придавайте ему слишком большого значения. Отнеситесь к фактическому определению волновой функции более серьезно, чем к ее названию. Если электрон находится в собственном энергетическом состоянии, ничего физического в электроне не будет меняться со временем (волновая функция приобретет общий фазовый коэффициент (𝑒−𝑖𝐸𝑡, где 𝐸 — энергия, а 𝑡 — время), но это физически не имеет значения и никакая измеримая величина не зависит от этого общего фазового фактора.).

не могли бы вы проверить редактирование? Как может быть рассредоточен электрический заряд, если самого электрона нет?
@OVERWOOTCH Это не говорит, что на самом деле рассредоточено, оно пытается качественно дать представление о том, что действует так, как будто оно растянуто. Если бы кто-то сказал, что он на самом деле разбросан, они были бы просто неправы. Нигде нельзя найти часть электрона. Всегда находится полный электрон.

что подразумевается под вероятностным облаком электронов? означает ли это, что электрон быстро движется внутри вероятностного облака/орбитали, присутствует в одних областях дольше, чем в других, или он как бы размазывается по всей орбитали, пока его не наблюдают?

Ни один. В квантовой механике нет ничего, что лежало бы в основе вероятностей. Это в отличие от, скажем, обычной вероятности, когда мы используем вероятность, чтобы иметь дело с вещами, которые мы не знаем о системе. Это не то же самое, что мы говорим: «Электрон может быть здесь, мы просто не знаем». На самом деле мы ничего не можем сказать о положении электрона, пока не измерим его. Следовательно, это отбрасывает идею о том, что он остается в одних регионах дольше, чем в других, поскольку до измерения его нет ни в одном регионе.

Идея "размазать" тоже не имеет смысла. Электроны — точечные частицы; вы не можете размазать их.

если электрон существует как стационарная волна вокруг атома, то что такое «колебание»? механические стационарные волны, например, состоят из смещения, колеблющегося с амплитудами, которые меняются в зависимости от положения. Какая физическая величина на самом деле колеблется здесь? Конечно же, сами электроны не двигаются вверх и вниз, не так ли?

Это путаница с идеей волновой функции электрона. Однако сам электрон не является волновой функцией; волновая функция просто описывает состояние электрона. Электрон не существует как волна; электроны - это частицы.

это вероятность, которая колеблется? если да, то в какой величине он колеблется? (время. пространство....)
«Однако сам электрон не является волновой функцией; волновая функция просто описывает состояние электрона». Это не тривиальное утверждение, было бы очень правильно сказать, что электрон — это просто его вектор состояния (луч) в соответствующем гильбертовом пространстве.
@DvijD.C. Можно ли в классической механике сказать, что частица — это ее вектор в конфигурационном пространстве?
@OVERWOOTCH В общем случае функции вероятности могут меняться со временем. Но это только вероятности; вам не нужна физическая волна, чтобы иметь меняющиеся вероятности.
@OVERWOOTCH «Волновая функция» - это просто имя, не вчитывайтесь в него слишком много. Отнеситесь к фактическому определению волновой функции более серьезно, чем к ее названию. Если электрон находится в собственном энергетическом состоянии, ничего физического в электроне не будет меняться со временем (волновая функция приобретет общий фазовый множитель ( е − я Е т где Е это энергия и т время), но это физически не имеет значения, и никакая измеримая величина не зависит от этого общего фазового фактора.).
@BioPhysicist Нет, частица за раз - это точка в фазовом пространстве в классической механике.
@DvijD.C. Наверное, мне не нравится приравнивать физические объекты к математическим объектам, которые их описывают. Мне кажется, что сказать, что электрон — это волновая функция, бессмысленно. Волновая функция математически может быть определена во всем пространстве. Означает ли это, что электрон существует во всем пространстве? Если это так, то когда мы измеряем, что электрон находится где-то, каков механизм, который собирает все части электрона по всему пространству и приводит его в точку измерения?
Честно говоря, я склонен колебаться между двумя позициями, но все, что я хочу сказать, это то, что ни одна из позиций не кажется мне тривиально правильной/неправильной. В любом случае, это не имеет значения, потому что даже если волновая функция просто описывает электрон, а не является самим электроном, все равно остается вопрос, какой физический аспект электрона меняется со временем, если это математическое представление физического объекта меняется с течением времени. время.
@BioPhysicist Я почему-то прочитал только первое предложение вашего последнего комментария. Нужно начать использовать тайловый оконный менеджер. :| В любом случае, волновая функция — это не поле, подобное электрическому полю. Волновая функция (вернее, вектор/луч состояния) живет в гильбертовом пространстве. Базисные волновые функции положения или базисные волновые функции импульса - это просто полезные способы описания вектора состояния (например, использование системы координат для описания вектора). Нет частей электронов, разбросанных вокруг, вы не принимаете квантово-механическую «истину» о том, что квантовая частица не имеет положения , если она не измерена.
@DvijD.C. Я думаю, вы меня неправильно поняли... Я говорю то, что вы только что сказали в моем ответе выше. Я указывал, почему проблематично говорить, что электрон — это математический объект, который мы используем для его описания. Но мне не нужен урок векторов состояний :)
Я думаю, вы возражали против утверждения, что классическая частица — это точка в фазовом пространстве, и точно так же вы возражали бы против утверждения, что квантовая частица — это луч в гильбертовом пространстве.
@DvijD.C. Да, как я уже сказал, мне не нравится приравнивать физические объекты к математическим объектам, используемым для их описания.
Хорошо, я не хочу слишком затягивать дискуссию, так что это будет мой последний комментарий. Но я просто хотел бы отметить, что в этом случае я не говорил того же, что вы написали в своем ответе. Во всяком случае, у меня нет твердого мнения насчет того, не отличается ли физический объект от своего описания или нет. Как я уже сказал, я просто хотел подчеркнуть, что заявить о победе любой из сторон не так уж и просто. Я думаю, что мы согласны с физикой вещей, помимо этого, конечно.

Мы не знаем, что такое облако вероятности на самом деле, все, что мы знаем, это то, что если вы ищете электрон, уравнение для облака говорит вам, насколько вероятно, что вы найдете его в разных местах. Вот как он получил свое название. Всегда было много споров о том, может ли это быть реальной частицей, чем-то размытым или чем-то еще более странным, поэтому среди физиков принято просто игнорировать этот вопрос. Если вас учат «облаку вероятности», лучше согласиться на это, пока ваш учитель не скажет вам обратное!

«Стационарную волну» также часто называют «стоячей волной». Это означает, что кажется, что волна не движется, даже если она все время перемещается взад и вперед по одной и той же области. Вибрация гитарной струны — более повседневный пример. Но опять же, то, что машет рукой, — это таинственное «чем-что-это-не-что-не-является-то-то-то».

Мне известны механические стационарные волны, в которых колеблющаяся величина представляет собой смещение от положения равновесия во времени. Какая здесь колеблющаяся величина и чем она колеблется?
-1: Это вводящий в заблуждение ответ ИМО. Можно спорить о том, является ли стандартная версия квантовой механики лучшей или нет, но стандартная версия квантовой механики (та, которой учат каждого физика) дает четкие ответы на все вопросы ОП. Электрон не размазан (потому что это означало бы, что немного электрона повсюду), и не то, что электрон проводит больше времени в одних местах, чем в других. Ответ заключается в том, что электрон просто не имеет положения, если только на электроне не было произведено измерение оператора положения.
@DvijD.C. Копенгаген не отрицает, что электрон размазан или имеет положение, он считает эти предположения бессмысленной бессмыслицей — так же, как и ваши. То есть любое обсуждение — в том числе и отрицание — положения электрона до измерения просто не имеет смысла. Да, ответ из учебника проигнорирует ерунду и сразу перейдет к измерению, но ОП немного спросил о ерунде, поэтому имеет смысл дать краткое изложение. Я подумаю о том, чтобы сделать это немного яснее.
@OVERWOOTCH Лучше всего просто думать об этом как об электроне и останавливаться на этом. Студентов университетов учат, что это возмущение нулевого электронного поля, но это не поможет вам окончить среднюю школу! Как видите, некоторые люди уже думают, что я слишком углубился в некоторые вещи, о которых вы спрашивали.
@GuyInchbald Это просто неправда. В каждом учебнике ясно сказано, что в квантовой механике говорят, что частица обладает четко определенным свойством X, если она находится в собственном состоянии оператора X. Кроме того, в каждом хорошем учебнике все время говорится о величинах до измерения. Например, в любой книге, в которой обсуждаются собственные состояния гамильтониана, говорится, что если частица находится в собственном состоянии с энергией n, ее энергия равна Е н . Вы можете измерить это, и никто не колеблясь скажет, что это было Е н даже до.
@DvijD.C. Поправьте меня, если я ошибаюсь, но я понимаю, что собственные состояния энергии не имеют ничего общего с положением.
Квантовая модель атома
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v