Neulich, als ich das gepostet habe, wurde ich ziemlich verspottet, herabgestuft und fast verspottet, also habe ich wahrscheinlich einen sehr schlechten Job gemacht, um zu erklären, was ich meinte.
Also, was ich fragte: "Wie chemische Bindung auf ihrer grundlegendsten Ebene geschieht."
Also versuche ich es noch einmal, hoffentlich kann ich es besser erklären.
Soweit ich verstehe, gibt es 2 Dinge, die das Universum regieren. 1) Die Energie des Universums ist konstant. 2) Jede Energieübertragung wird durch eine der 4 Grundkräfte vermittelt. Für jede Aktion (zB Energieübertragung) benötigen wir ein Austauschteilchen. Und es scheint, dass so ziemlich ALLE alltäglichen Phänomene, die nicht durch die Schwerkraft verursacht werden, durch Elektromagnetismus verursacht werden. Und das Austauschteilchen des Elektromagnetismus ist ein (virtuelles) Photon. All dies ist natürlich nur eine bequeme Visualisierung. Manchmal ist es sinnvoller, in Kraftfeldern statt in krafttragenden Teilchen (Graviton, Photon) zu denken.
Ich weiß, dass die menschliche Intuition und Logik im Quantenreich zusammenbricht, aber dennoch alle Kontaktkräfte (z. B. Reibung, Wärme (dies ist eine große), kinetische Energie eines Objekts, Elektrizität, Anheben eines Objekts gegen die Schwerkraft, chemische Bindung ect.) kommt es letztlich darauf an, dass sich Elektronen der einzelnen Atome gegenseitig abstoßen. Und soweit ich es verstehe, tauschen sie, wenn ein Elektron ein anderes Elektron abstößt, wenn sie näher und näher geschoben werden, virtuelle Photonen aus, die letztendlich die Abstoßung sind , wenn das andere Elektron es absorbiert und Energie gewinnt.
Wenn ich also meinen Finger auf meinen Tisch drücke, werden die Elektronenwolken in den Molekülen in meinem Finger, soweit ich das verstehe, von den Elektronenwolken in den Molekülen auf dem Tisch abgestoßen, und diese Abstoßung (die ein Energieaustausch ist) wird durch (virtuelle) Photonen vermittelt, ich meine, es MUSS, da wir ein Austauschteilchen brauchen, um Energie zu übertragen. Um Wikipedia zu zitieren: "Die Coulomb-Kraft (statische elektrische Kraft) zwischen elektrischen Ladungen wird durch den Austausch virtueller Photonen verursacht."; "...das Photon scheint ein punktförmiges Teilchen zu sein, da es als Ganzes von beliebig kleinen Systemen absorbiert oder emittiert wird, Systemen viel kleiner als seine Wellenlänge, wie einem Atomkern (≈10−15 m Durchmesser) oder sogar das punktförmige Elektron."
Bitte korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege, aber es scheint, dass alle Kontaktkräfte auf die elektromagnetische Kraft zurückzuführen sind. Jedes Mal, wenn wir etwas berühren, tauschen wir damit Photonen aus, wenn die Elektronenwolken näher kommen -> Photonen erhöhen den Impuls der Elektronen in entgegengesetzte Richtungen. Das Gegenteil passiert, wenn ein frei bewegliches Elektron vom Kern angezogen wird, Photonen in der entgegengesetzten Richtung freigesetzt werden, wenn sich das Elektron in immer niedrigere Energiezustände einpendelt. Wenn man also im Grunde die Schwerkraft vernachlässigt (die auf Quantenebene immer noch nicht sehr gut verstanden zu sein scheint und das "Graviton" immer noch sehr umstritten ist) und die 2 Kernkräfte, ist die "Energie-Währung" des Universums im Grunde die Photon. (Ich weiß, dass ich mir das Photon nicht als "teilchenähnliches" Teilchen vorstellen darf, aber trotzdem "
Zurück zu meiner ursprünglichen Frage, wie Bindung auf der grundlegendsten Ebene stattfindet. So "visualisiere" ich es, wohl wissend, dass intuitive/logische Visualisierungen fast zwangsläufig falsch sind, wenn man über Quantenmechanik nachdenkt, da die menschliche Intuition dort nicht funktioniert (z. B. virtuelle Teilchen, Welle-Teilchen-Dualität, Unsicherheit, Quantenzufälligkeit ect .)
Wie Bindung auf ihrer grundlegendsten Ebene funktioniert: Wenn sich Moleküle mit hohen Geschwindigkeiten einander nähern (dh Kollisionstheorie), werden die abstoßenden Valenzelektronen der 2 kollidierenden Moleküle – alle anderen spingepaarten Elektronen – vom Kern angezogen und schirmen die Valenzelektronen ab sich nähernden Elektronen werden von den Valenzelektronen des anderen Moleküls/Atoms abgestoßen --> ihre kinetische Energie - die im Wesentlichen das Ergebnis vergangener Kontaktkräfte ist, die auf sie (über Photonen) eingewirkt haben - wird verbraucht, wenn sich die Elektronen immer näher kommen Austausch von Photonen untereinander (das heißtdie Abstoßung, wenn die Photonen vom Valenzelektron des anderen Moleküls absorbiert werden). Nachdem sich beide Valenzelektronen mit Photonen „beschossen“ haben, wurden sie nun beide in höhere Energieniveaus angeregt. Von dort aus (da die Entropie bewirkt, dass sich alles in Richtung niedrigerer Energie bewegt) könnten beide Valenzelektronen nun in ein Molekülorbital mit niedrigerer Energie fallen, das sie jetzt gemeinsam nutzen – durch die Coulomb-Kraft von beiden Kernen angezogen werden und dabei den Überschuss freisetzen Energie als Photonen. Es hat sich nun eine chemische Bindung gebildet.
Es spielt keine Rolle, woher die Photonen kamen – entweder von der kinetischen Energie der kollidierenden Moleküle oder von externen Wärme-/Strahlungsquellen. Diese Photonen werden im Wesentlichen benötigt, um Elektronen in die notwendigen hochenergetischen Orbitale zu "kicken" (die energetisch höher sind als das sich bildende Molekülorbital). Dies ist die sogenannte "Aktivierungsenergie", die für jede Reaktion benötigt wird. Wenn die Elektronen dann in ein gemeinsames Molekülorbital mit niedrigerer Energie fallen, wird die Energiedifferenz über Photonen emittiert. Wenn für die Bildung einer Bindung mehr Nettophotonen zugeführt werden müssen als die Gesamtmenge an Photonen (dh Energie), die nach der Bildung der Bindung abgegeben werden, dies nennen wir eine endotherme Reaktion, und die überschüssige Energie wird nun in der chemischen Bindung gespeichert und kann beim Aufbrechen der Bindung wieder als Wärme (dh Photonen) freigesetzt werden, wenn die Elektronen in ihren anfänglichen niedrigeren Energiezustand zurückkehren, den sie zuvor hatten Kollision. Wenn jedoch bei der Bildung der Bindung (dh beim Herunterfallen in das neue Molekülorbital) mehr Nettophotonen freigesetzt werden, wird Nettoenergie (dh Anzahl/Wellenlänge von Photonen) freigesetzt, und wir nennen dies eine exotherme Reaktion.
Für beide Arten von Reaktionen muss die für die Bildung des Molekülorbitals benötigte Energie zugeführt werden (diese nennen wir Aktivierungsenergie). Abhängig von den beteiligten Elektronenaffinitäten und wo das Elektronenpaar wahrscheinlich so ist, wie es jetzt mit Kernen interagiert, ist die Bindung jetzt perfekt unpolar, polar oder ionisch, je nachdem, welcher Kern das Molekülorbital mehr anzieht.
Ist das eine sehr, sehr falsche Art zu denken?
Ich denke nicht, dass es sehr falsch ist (mit Ausnahme des Entropieteils), aber Sie vermischen mathematische Rahmenbedingungen, was zu Verwirrung führen kann.
Zunächst einmal kann die Quantenmechanik nach einzelnen Potentialen, dem zwischen dem Elektron und dem Proton, dem Wasserstoffatom, analytisch und genau gelöst werden.
Wenn man von vielen Teilchenpotentialen und Problemen ausgeht, verdichtet sich die Handlung. Man muss Modelle verwenden, die viele Partikel enthalten können. Hier kam die Quantenfeldtheorie ins Spiel, um die vielen Teilchenprobleme in der Elementarteilchenstreuung anzugehen, die keine geschlossene analytische Lösung haben können, sondern durch Störungsentwicklungen beschrieben werden können. Die sogenannte zweite Quantisierung. Dies hängt von den grundlegenden freien Teilchenlösungen ( dirac, klein gordon, quantized maxwell) ab, wobei ein Operatorformalismus verwendet wird, der auf den freien Teilchen arbeitet und es ermöglicht, viele Teilchenwechselwirkungen zu beschreiben. Die Feynman-Diagramme führen zu Lösungen, bei denen die Potentiale durch virtuelle Teilchenaustausche ersetzt werden(siehe Seite über Photon) . Aus Gründen der Genauigkeit sollte man höhere Ordnungen von Austauschen zusammenfassen, die einen abnehmenden Beitrag haben, wie dies bei allen Serienerweiterungen der Fall ist.
Können Sie die Energieniveaus des Wasserstoffatoms anstelle einer einzelnen analytischen Lösung mit einer Summe von Feynman-Diagrammen beschreiben? (das wären Ihre virtuellen Photonen) . Wenn Sie mathematisch ehrgeizig sind, könnten Sie das tun, aber es ist, als würde man mit einem Skalpell einen Graben ausheben.
Also ja, im Prinzip könnte man alle elektromagnetischen Wechselwirkungen als beschreibbar durch Feynman-Diagramme mit dem Austausch virtueller Photonen betrachten, aber es ist nicht sehr nützlich. Es ist nützlicher, ungefähre analytische Lösungen zu finden, dh Orbitale für die Elektronen und effektive Potentiale, die ein Bindungspaar von Wasserstoffatomen beschreiben, um H2 zu bilden, wobei etwas Energie abgegeben wird. Das heißt, man findet eine Lösung für das kombinierte Problem der Potentiale von zwei Protonen mit zwei Elektronen drumherum, sieht man, dass die molekulare Energie geringer ist und somit eine Bindung entstehen kann. Dies wird komplizierter, wenn sich mehr Atome verbinden, aber es gibt verschiedene Modelle für Bindungen , die erfolgreich beschreiben, was passiert.
Es ist irreführend zu glauben, dass einzelne Elektronen interagieren, es sind die ganzen Atome, wenn sie sich zu Molekülen verbinden, die die Energie verlieren.
Ihr Verständnis ist falsch. Ich werde die wichtigsten Fehler korrigieren:
Erstens sollte man aufhören, in virtuellen Photonen zu denken. Sie sind wirklich mathematische „Dinge“, die in der perturbativen QFT auftreten. Sie könnten ebenso in Begriffen einer nicht-perturbativen QFT denken und ganz ohne virtuelle Partikel auskommen.
Nachdem sich beide Valenzelektronen mit Photonen „beschossen“ haben, wurden sie nun beide in höhere Energieniveaus angeregt.
Nein. Die „virtuellen Photonen“ regen die Elektronen nicht in höherenergetische Orbitale an, wie es beispielsweise Photonen eines Lasers tun. Ihre Wirkung besteht vielmehr darin, die potentielle Energiefläche zu stören und somit die Wellenfunktionen zu verzerren. Die Elektronen entspannen sich in guter Näherung (siehe Born-Oppenheimer-Näherung) sofort in den Grundzustand, wenn sich die Kerne einander nähern.
Aus diesem Grund sind auch folgende Punkte falsch:
beide Valenzelektronen könnten nun in ein Molekülorbital niedrigerer Energie fallen,
Dies ist die sogenannte "Aktivierungsenergie", die für jede Reaktion benötigt wird.
Und zuletzt,
Von dort (da die Entropie bewirkt, dass sich alles in Richtung niedrigerer Energie bewegt)
Entropie treibt Systeme nicht dazu, Energie zu senken, sie bewirkt typischerweise das Gegenteil.
anna v