Аватар u/Platypuskeeper
Platypuskeeper
•
14 л. назад
•
, Отредактированные 14 л. назад
Электрон сам по себе «выглядит» почти как ничто; бесконечно малый точечный заряд в пространстве. Насколько мы можем измерить, у него нет внутренней структуры или объема, и считается, что у него их нет. Верхняя граница](http://iopscience.iop.org/1402-4896/1988/T22/016) его размера, измеренная экспериментально, составляет 10-22 метра (сравните с диаметром атома 10-10 или диаметром ядра 10-15).
Но электроны ведут себя квантово-механически. Действительно, как вы, кажется, знаете, именно вопрос о том, как электроны ведут себя в атоме, и стал причиной развития квантовой механики в первую очередь. Но чтобы обратиться к «традиционной» картине, на которую вы сначала сослались, это в основном «планетарная» (или, возможно, модель Бора) модель атома, которая появилась примерно в 1910 году, после более ранних идей, таких как модель сливового пудинга, где отрицательные и положительные заряды были перемешаны в атоме. (они придумали впечатляющую математику, чтобы это поддержать)
Суть планетарной модели в том, что она иллюстрирует новое открытие того времени, которое заключалось в том, что открытие Резерфорда о том, что положительно заряженная часть атома (ядро) на самом деле сконцентрирована в крошечном пространстве, а не распределена вообще. И поэтому идея заключалась в том, что отрицательно заряженные электроны будут «вращаться» вокруг ядра. (судя по приведенным выше цифрам, вы также можете сказать, что эта картина не в масштабе; ядро на самом деле примерно в 1/10 000 раз меньше атома)
Однако эта модель никогда не работала; она оставила необъясненного столько же, сколько попыталась объяснить. Первое — почему электроны не «падали» в ядро. Потому что по законам Максвелла заряд, движущийся по круговой траектории, должен излучать радиацию и, следовательно, терять энергию и в конечном итоге спирально падать. На еще более базовом уровне — если игнорировать как он может терять эту энергию, нет ничего, что мешало бы электрону каким-то образом оказаться неподвижным в ядре — что явно является ситуацией с наименьшей энергией (нулевая кинетическая энергия, минимальная потенциальная энергия, поскольку заряды находятся как можно ближе друг к другу). Атомы «не должны» быть стабильными в этой модели, что явно неверно. (Поэтому печально известный и часто задаваемый здесь вопрос «Почему электроны не падают?» всегда был скорее риторическим вопросом; в смысле «Что не так с этой моделью?»)
Более того, как и в классических планетарных орбитах, существовало бесконечное количество возможных стабильных орбит для электронов. О чем никто особо не задумывался, пока Бор смело не постулировал (или «открыл»), что электроны в атомах могут занимать только орбиты, соответствующие угловому моменту, который является целым кратным постоянной Планка, деленной на 2π (h-bar). Таким образом, «разрешены» были только определенные орбиты с определенными энергиями. Электрон не мог терять или получать энергию, которая не соответствовала бы изменению между этими состояниями. Это была «первоначальная» квантовая теория, которая сейчас называется моделью Бора. Модель Бора воспроизвела и объяснила эмпирическое уравнение (формулу Ридберга) для спектральных линий атома водорода (и других одноэлектронных атомов).
С современной точки зрения модель Бора все еще была неправа почти во всем. Она не работала для многоэлектронных атомов (и попытки распространить ее на них не увенчались успехом), а ее самый большой успех — объяснение спектральных линий — было лишь приближением. «Тонкая структура» (линии внутри спектральных линий) атомных спектров была известна в то время и не объяснялась уравнениями Бора или Ридберга. (Некоторые люди, в том числе и я, сомневаются, стоит ли вообще преподавать модель Бора. Она важна исторически, но не дает особого понимания)
Но основная «квантовая» концепция была верной и привела к развитию «новой квантовой теории» Гейзенберга и Шрёдингера, которую мы сейчас называем квантовой физикой. Теперь, в квантово-механической картине, связанная частица (например, электрон в атоме) может занимать только определенные энергетические состояния. То же самое, что и с моделью Бора. Но фундаментальная вещь в КМ заключается в том, что электрон не имеет одновременно хорошо определенного положения и импульса ( принцип неопределенности Гейзенберга). Вы не можете знать одновременно, где он находится и куда он движется.
Поэтому концепция электрона, следующего по «орбите» или «траектории» (что явно подразумевает, что эти две вещи известны одновременно), не работает или, как я это вижу, не является значимой концепцией в квантовом контексте. (Или, если хотите, примите точку зрения Фейнмана, электрон следует всем возможным траекториям). В отличие от классической механики, знание положения и импульса электрона в один момент времени не позволяет предсказать его будущие положения.
Если хотите, вы можете рассматривать это как часть широко разрекламированной «корпускулярно-волновой дуальности» (хотя я не думаю, что этот термин отражает то, как большинство людей смотрят на вещи в наши дни). Свободный электрон ведет себя больше «как частица» (и может иметь любую энергию/импульс), в то время как связанный электрон ведет себя «как волна»; как стоячая волна, он может принимать только определенные дискретные (квантованные) состояния. (Однако ни в том, ни в другом случае ему нельзя приписать определенное положение/импульс)
Что квантовая механика действительно говорит нам, так это каковы энергии этих состояний. И она говорит нам вероятности того, где мы можем найти электрон в пространстве, и вероятности измерения различных значений его импульса, и на самом деле дает такие распределения вероятностей для каждой измеряемой величины! (Именно здесь у многих людей возникают проблемы с КМ — как может правильная теория давать только вероятности, а не «точные результаты» для «измерения». Это вопрос интерпретации, но, как я это вижу, просто бессмысленно думать об электронах в атоме как о имеющих «положение» в каком-либо более определенном смысле, чем это) И если вы знаете квантовое состояние (волновую функцию) в любой момент времени, она также скажет вам, как оно изменится в будущем (так что в этом смысле оно все еще детерминировано)
В любом случае, у вас есть различные состояния электрона в атоме, и эти состояния соответствуют распределениям вероятностей того, где можно найти электрон. Что на самом деле является чем-то, что можно непосредственно измерить, поскольку это точно соответствует плотности электронного заряда, окружающей атом. Мы называем такое электронное состояние орбиталью (а не орбитой). И они выглядят так, если вы построите поверхность, которая соответствует определенному значению плотности. Хотя формы могут выглядеть странно, это в основном сферические гармоники, в основном то, как выглядит стоячая волна в трех измерениях (3d-версия того, что такое синусоидальная/косинусоидальная волна в одномерном случае).
Таким образом, химики и физики рассматривают электроны в атомах как занимающие эти различные орбитали. Они немного меняются между атомами, но общая форма в основном одинакова. Когда дело доходит до молекул, большинство химиков изучают это, рассматривая электронные орбитали связывающих атомов, перекрывающиеся и объединяющиеся друг с другом (гибридизация), образуя взаимные орбитали — что объясняет химическую связь.
Но мы должны говорить в терминах орбиталей, а не электронов. Потому что электроны принципиально неразличимы. Поэтому вы никогда не сможете сказать, какой электрон находится на какой орбитали — они могут меняться местами друг с другом, и вы никогда не узнаете. Но мы можем сказать, занята орбиталь или нет (квантово-механически электрон на самом деле может находиться в квантовой суперпозиции, частично занимая несколько орбиталей одновременно. Но вы всегда будете измерять, что он находится на одной орбитали)
В любом случае, фундаментальным свойством, которое здесь можно измерить, является общая плотность заряда, окружающая атом, которая соответствует сумме плотностей занятых орбиталей. (и на самом деле все химические свойства можно описать только в терминах электронной плотности, факт, используемый в DFT) Вот график плотности заряда, окружающей воду (цвет = электростатический потенциал, красный = более отрицательный, синий = более положительный).
Эти графики не очень полезны на практике, потому что есть много плотности, которая «ничего не делает» с химической точки зрения. Это большой кусок*. Поэтому существует ряд способов анализа и визуализации, чтобы рассказать больше. Обычно мы в основном смотрим на самую высокую занятую орбиталь (="валентные электроны"), потому что именно они участвуют в химической связи и реакционной способности, а также на самую низкую незанятую (HOMO/LUMO).
А по проводам течет ток. Из электронов. И это вовсе не вера. Или "не такая" вера... 
