Не могли бы вы показать мне окончательную модель атома, демонстрирующую движение электронов внутри него? [закрыто]

Электроны не движутся внутри атомов.

Если электрон находится на данном энергетическом уровне$E$, волновая функция определяется выражением$\psi(x,y) = \phi(x)_{n\ell m} \,\mathrm{e}^{-\mathrm{i}E t/\hbar}$. Зависимость от времени - это чисто фазовый фактор, поэтому плотность вероятности электрона в реальном пространстве равна$|\psi(x)|^2 = |\phi(x)|^2 \neq f(t)$, а не функция времени. По этой причине они называются стационарными состояниями .

Тот факт, что электроны на самом деле не движутся в атомах, это хорошо , и в этом весь смысл изобретения квантовой механики. Если бы они двигались, они бы ускоряли заряженные частицы и, таким образом, теряли бы энергию на излучение (тормозное излучение), в конечном итоге разрушаясь. Нестабильность атома была именно тем недостатком классической физики, который привел к изобретению/открытию квантовой механики.

Более того:

Атомные орбитали только "правильные"$^\dagger$волновые функции в одноэлектронных системах, таких как атом водорода. В многоэлектронных атомах орбитали являются полезным приближением, обычно основой, используемой для пертурбативных расчетов. Например, для гелия вам уже нужно учитывать неразличимость двух электронов, что приводит к линейным комбинациям орбиталей для выработки поправочных условий.

В атоме водорода орбитали наблюдались косвенно, см. Атомы водорода под увеличением: прямое наблюдение за узловой структурой штарковских состояний , путем записи дифракционной картины света, излучаемого от атомных переходов: эти картины связаны с узловой структурой атома. атомные волновые функции.

Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (APRES) может дать информацию о форме молекулярных орбиталей, см. Исследование трехмерных орбитальных изображений с помощью энергозависимой фотоэмиссионной томографии .

$\dagger$: но только в пределах чистого кулоновского гамильтониана. С такими поправками, как тонкая структура, лэмбовский сдвиг и т. д., не существует аналитического решения как для собственных значений, так и для собственных состояний.

РЕДАКТИРОВАТЬ из комментариев .

Учитывая внимание, которое получил этот ответ, позвольте мне добавить несколько моментов, поднятых в ходе долгой дискуссии, последовавшей в комментариях.

Прежде всего, приведенный выше ответ отражает мое мнение и мою интерпретацию этого вопроса. Действительно, как указывает @my2cts:

Двигаются ли электроны или нет, это чистая интерпретация. Что КМ недвусмысленно говорит, так это то, что электроны обладают кинетической и потенциальной энергией. Любой волен интерпретировать это.

Тогда относительно движения верно, что электроны обладают импульсом, кинетической энергией и, для$\ell \neq s$, ток вероятности$\mathbf{J}$который, однако, также неподвижен, но в тангенциальном направлении$\hat{\boldsymbol{\phi}}$(вывод здесь ) как скорость классически вращающегося объекта.

В частности, @dmckee говорит:

электроны имеют четко определенную энергию, которую следует интерпретировать как включающую кинетическую составляющую и распределение импульса, которое может включать ноль, но также включает ненулевое значение с нетривиальной плотностью вероятности.

Моя идея «электроны не движутся» проистекает из идеи, что «стоячие волны не движутся», в том смысле, что они не идут от А к Б. Но, тем не менее, движение есть. Смотрите хорошее обсуждение здесь .

В науке нет окончательных моделей, всегда есть место для совершенствования. И нельзя полностью исключать серьезные сдвиги парадигмы. Однако мы можем быть вполне уверены в нашей нынешней модели электронной структуры атома, основанной на квантовой электродинамике (КЭД), которая была проверена с очень высокой точностью.

В Википедии есть многочисленные орбитальные диаграммы , в том числе множество анимированных. Но вам также нужно прочитать текст, чтобы понять, как работают диаграммы, и даже в этом случае нелегко понять, что происходит, если вы не изучали квантовую механику и не знакомы с основными понятиями и некоторыми математическими понятиями.

Мне очень нравятся анимированные диаграммы в разделе Качественное понимание форм :

Формы атомных орбиталей можно качественно понять, рассмотрев аналогичный случай стоячих волн на круглом барабане.

[...]

Основная причина этого соответствия заключается в том факте, что распределение кинетической энергии и импульса в волне материи предсказывает, где будет находиться частица, связанная с волной. То есть вероятность найти электрон в данном месте также является функцией среднего импульса электрона в этой точке, поскольку большой импульс электрона в данном положении имеет тенденцию «локализировать» электрон в этом положении через свойства электрона. волновые пакеты (  подробности механизма см. в принципе неопределенности Гейзенберга ).

Мы можем делать изображения и даже фильмы с реальными орбитами, но они довольно грубы; схемы лучше. Я полагаю, что изображения и фильмы полезны тем, что они демонстрируют непрофессионалу, что диаграммы действительны, а не просто какая-то математическая выдумка. ;)

Нелегко точно оценить, как электроны движутся внутри атома. Вещи на квантовом уровне просто ведут себя не так, как мы привыкли на макроскопическом уровне, поэтому наша обычная интуиция не очень помогает, когда дело доходит до электронов. Это не означает, что эти вещи непостижимы, но это означает, что мы можем ввести себя в заблуждение, если попытаемся применить классические понятия к этим явно неклассическим объектам.

Таким образом, хотя электроны в атомах, безусловно, обладают кинетической энергией и импульсом (включая орбитальный угловой момент, за исключением электронов на s- орбиталях), было бы ошибкой приписывать им какую-либо классическую траекторию.

У нас есть квантовая механика, дополненная квантовой электродинамикой. С помощью доступных инструментов вы можете вычислять атомарные свойства с возрастающей точностью. Нейтральный водород можно рассматривать с помощью уравнения Шредингера, а точнее уравнения Дирака. Затем вы можете добавить пертурбативные радиационные поправки КЭД и ядро ​​конечного размера. Это приводит вас к пределу или за пределами экспериментальной точности. Для многоэлектронных атомов также необходимо учитывать конфигурационное взаимодействие и поправки к борновскому приближению. Это, на мой взгляд, совсем окончательный вариант.

Невозможно получить окончательную модель атома. Придется делать это с приближениями.

Просто слишком много факторов, чтобы их учитывать. Даже такая «простая» вещь, как вращение протона: см., например , этот PDF-файл .

И, в зависимости от типа атома, в каждом атоме есть как минимум 1 протон. И не забывайте про нейтроны (оба нуклона). и взаимодействие между ними. Спин-орбитальные связи. И т.д.

Для протон-электронной системы (водород) можно сделать наилучшее приближение. Просто потому, что это самый простой атом. Три кварка (протон), один электрон. Однако уже сложно (даже с помощью суперкомпьютера) рассчитать взаимодействия между валентными кварками и невалентными кварками с помощью глюонов (см. PDF). Когда это будет сделано, вы должны рассчитать взаимодействие между протоном и электроном. Не так сложно (с помощью уравнения Шредингера), но когда вы пытаетесь сделать это в связи с КЭД, история становится несколько сложнее.

Итак, вы можете себе представить, как обстоят дела с атомами большей массы!

О видимости атомов. Никогда не будет возможности увидеть, как выглядит атом (в любом случае)! Может быть, компьютерное изображение, что-то другое. Не дайте себя обмануть людям (пишущим для сенсационных журналов, чтобы получить деньги), которые говорят, что могут. Посмотрите на это:

Первый атом стал видимым

Опять же, не позволяйте этой популяризации обмануть вас! Вы видите не атомы, а их образ, а это нечто совершенно другое. Представьте, что у вас есть размер порядка атомов. Как бы вы могли их увидеть? Посветив на них фотонами? Нет. Я думаю, вы достаточно умны, чтобы понять, почему это невозможно.

Еще одно, но последнее. В одном ответе здесь сказано, что КЭД используется во всех расчетах, касающихся атома. Не правда. @my2cts прекрасно решает эту проблему.

Самое главное понять разницу между орбитой и орбиталью. Первоначально атом представлялся с классическими орбитами (как планеты вокруг звезд), но со временем была разработана квантовая механика, и теперь мы говорим об электронных орбиталях.

В атомной теории и квантовой механике атомная орбиталь — это математическая функция, описывающая волнообразное поведение либо одного электрона, либо пары электронов в атоме. 1 Эту функцию можно использовать для расчета вероятности нахождения любого электрона атома в любой конкретной области вокруг ядра атома. Термин «атомная орбиталь» может также относиться к физической области или пространству, в котором, по расчетам, может находиться электрон, что определяется конкретной математической формой орбитали.[2]

Сегодня у нас есть в основном три типа орбиталей:

1. Водород как

2. Слейтер Тип

3. Гауссовский тип

Таким образом, современные атомные орбитальные модели описывают существование электронов вокруг ядра как распределение вероятностей. Теперь вы спрашиваете, имеют ли они определенные формы? Да, они делают.

https://en.wikipedia.org/wiki/Атомная_орбиталь