Können Sie mir bitte ein endgültiges Atommodell zeigen, das die Bewegung von Elektronen darin demonstriert? [geschlossen]

Elektronen bewegen sich nicht innerhalb von Atomen.

Wenn sich ein Elektron in einem bestimmten Energieniveau befindet$E$, die Wellenfunktion ist gegeben durch$\psi(x,y) = \phi(x)_{n\ell m} \,\mathrm{e}^{-\mathrm{i}E t/\hbar}$. Die Zeitabhängigkeit ist ein reiner Phasenfaktor, daher die Realraum-Wahrscheinlichkeitsdichte des Elektrons$|\psi(x)|^2 = |\phi(x)|^2 \neq f(t)$, keine Funktion der Zeit. Diese werden aus diesem Grund als stationäre Zustände bezeichnet.

Die Tatsache, dass sich Elektronen nicht wirklich in Atomen bewegen, ist gut , und das ist der springende Punkt, an dem die Quantenmechanik erfunden wurde. Wenn sie sich bewegen würden, würden sie geladene Teilchen beschleunigen und dadurch Energie an Strahlung (Bremsstrahlung) verlieren, die schließlich zusammenbrechen würde. Die Instabilität des Atoms war genau der Mangel der klassischen Physik, der zur Erfindung/Entdeckung der Quantenmechanik führte.

Außerdem:

Atomorbitale sind nur "richtig"$^\dagger$Wellenfunktionen in Einelektronensystemen wie dem Wasserstoffatom. In Atomen mit vielen Elektronen sind Orbitale eine nützliche Annäherung, normalerweise eine Grundlage für Störungsberechnungen. Bei Helium muss man beispielsweise bereits die Ununterscheidbarkeit der beiden Elektronen berücksichtigen, was zu den Linearkombinationen der Orbitale führt, um Korrekturterme zu errechnen.

Im Wasserstoffatom wurden die Orbitale indirekt beobachtet, siehe Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States , indem das Beugungsmuster des Lichts aufgezeichnet wurde, das von atomaren Übergängen wegstrahlt: diese Muster bezogen sich auf die Knotenstruktur der atomare Wellenfunktionen.

Winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (APRES) kann Informationen über die Form von Molekülorbitalen liefern, siehe Erkundung der dreidimensionalen Bildgebung von Orbitalen mit energieabhängiger Photoemissionstomographie .

$\dagger$: aber nur innerhalb des reinen Coulomb-Hamiltonoperators. Bei Korrekturen wie Feinstruktur, Lamb-Verschiebung etc. gibt es keine analytische Lösung sowohl für Eigenwerte als auch für Eigenzustände.

BEARBEITEN von Kommentaren .

Lassen Sie mich angesichts der Aufmerksamkeit, die diese Antwort erhalten hat, einige Punkte hinzufügen, die in der langen Diskussion angesprochen wurden, die in den Kommentaren folgte.

In erster Linie spiegelt die obige Antwort meine Meinung und meine Interpretation der Angelegenheit wider. In der Tat, wie @my2cts betont:

Ob sich Elektronen bewegen oder nicht, ist reine Interpretation. Was QM unmissverständlich sagt, ist, dass Elektronen kinetische und potentielle Energie haben. Es steht jedem frei, dies zu interpretieren.

Dann gilt für die Bewegung , dass Elektronen Impuls, kinetische Energie und z$\ell \neq s$, ein Wahrscheinlichkeitsstrom$\mathbf{J}$das ist aber auch stationär, aber in tangentialer Richtung$\hat{\boldsymbol{\phi}}$(Herleitung hier ) wie die Geschwindigkeit eines klassisch umlaufenden Objekts.

Insbesondere sagt @dmckee:

die Elektronen haben eine wohldefinierte Energie, die dahingehend interpretiert werden muss, dass sie eine kinetische Komponente und eine Impulsverteilung enthält, die null enthalten kann, aber auch einen Wert ungleich null mit nicht-trivialer Wahrscheinlichkeitsdichte enthält.

Meine Idee von "Elektronen bewegen sich nicht" stammt von der Idee, dass "stehende Wellen sich nicht bewegen", indem sie nicht von A nach B gehen. Aber natürlich gibt es trotzdem Bewegung. Siehe nette Diskussion hier .

Es gibt keine endgültigen Modelle in der Wissenschaft, es gibt immer Raum für Verbesserungen. Und größere Paradigmenwechsel sind nicht völlig auszuschließen. Wir können uns jedoch auf unser aktuelles Modell der elektronischen Struktur des Atoms verlassen, das auf Quantenelektrodynamik (QED) basiert und mit sehr hoher Präzision validiert wurde.

Wikipedia hat zahlreiche Bahndiagramme , darunter viele animierte. Aber Sie müssen auch den Text lesen, um zu verstehen, wie die Diagramme funktionieren, und selbst dann ist es nicht einfach zu verstehen, was vor sich geht, es sei denn, Sie haben etwas Quantenmechanik studiert und sind mit den grundlegenden Konzepten und etwas Mathematik vertraut.

Ich mag die animierten Diagramme im Abschnitt mit dem Titel Qualitatives Verständnis von Formen sehr :

Die Formen von Atomorbitalen können qualitativ verstanden werden, indem man den analogen Fall von stehenden Wellen auf einer kreisförmigen Trommel betrachtet

[...]

Der Hauptgrund für diese Übereinstimmung liegt in der Tatsache, dass die Verteilung von kinetischer Energie und Impuls in einer Materiewelle vorhersagt, wo sich das mit der Welle verbundene Teilchen befinden wird. Das heißt, die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron an einem bestimmten Ort zu finden, ist auch eine Funktion des durchschnittlichen Impulses des Elektrons an diesem Punkt, da ein hoher Elektronenimpuls an einer bestimmten Position dazu neigt, das Elektron an dieser Position über die Eigenschaften des Elektrons zu "lokalisieren". Wellenpakete (siehe  Heisenbergsche Unschärferelation für Details des Mechanismus).

Wir können Bilder und sogar Filme von tatsächlichen Orbitalen machen, aber sie sind ziemlich grob; Die Diagramme sind besser. Ich nehme an, dass die Bilder und Filme insofern von Vorteil sind, als sie dem Laienpublikum zeigen, dass die Diagramme gültig sind und nicht nur eine mathematische Erfindung. ;)

Es ist nicht einfach, genau einzuschätzen, wie sich Elektronen im Inneren des Atoms bewegen. Die Dinge auf der Quantenskala verhalten sich einfach nicht so, wie wir es auf der makroskopischen Skala gewohnt sind, also sind unsere normalen Intuitionen keine große Hilfe, wenn es um Elektronen geht. Das bedeutet nicht , dass diese Dinge unverständlich sind, aber es bedeutet, dass wir uns in die Irre führen können, wenn wir versuchen, klassische Begriffe auf diese entschieden nicht-klassischen Entitäten anzuwenden.

Während also Elektronen in Atomen sicherlich kinetische Energie und Impuls haben (einschließlich Bahndrehimpuls, abgesehen von Elektronen in s -Orbitalen), ist es ein Fehler, ihnen irgendeine Art von klassischer Flugbahn zuzuschreiben.

Was wir haben, ist Quantenmechanik, ergänzt durch Quantenelektrodynamik. Mit den verfügbaren Werkzeugen können Sie atomare Eigenschaften mit zunehmender Genauigkeit berechnen. Neutraler Wasserstoff kann durch die Schrödinger- und genauer die Dirac-Gleichung behandelt werden. Dann können Sie perturbative QED-Strahlungskorrekturen und einen Kern endlicher Größe einwerfen. Dies bringt Sie an die Grenze oder über die experimentelle Genauigkeit hinaus. Für Vielelektronenatome müssen Sie auch Konfigurationswechselwirkungen und Korrekturen der Born-Näherung berücksichtigen. Das ist meiner Meinung nach ziemlich endgültig.

Es ist unmöglich, das endgültige Modell eines Atoms zu haben. Wir müssen es mit Annäherungen tun.

Es gibt einfach zu viele Faktoren, die berücksichtigt werden müssen. Sogar eine "einfache" Sache wie der Protonenspin: Siehe zum Beispiel dieses PDF .

Und je nach Atomart ist in jedem Atom mindestens 1 Proton zu finden. Und vergessen Sie nicht die Neutronen (beide Nukleonen). und die Wechselwirkung zwischen ihnen. Die Spin-Bahn-Kopplungen. usw. usw.

Für das Proton-Elektron-System (Wasserstoff) kann die beste Näherung gemacht werden. Einfach weil es das einfachste Atom ist. Drei Quarks (Proton), ein Elektron. Allerdings ist es schon schwierig (selbst mit Hilfe eines Supercomputers), die Wechselwirkungen zwischen den Valenzquarks und den Nicht-Valenzquarks mittels Gluonen zu berechnen (siehe PDF). Wenn dies erledigt ist, müssen Sie die Wechselwirkung zwischen dem Proton und dem Elektron berechnen. Nicht so schwierig (mittels der Schrödinger-Gleichung), aber wenn Sie es in Verbindung mit QED versuchen, wird die Geschichte etwas schwieriger.

Sie können sich also vorstellen, wie die Situation für massereichere Atome ist!

Über die Sichtbarkeit von Atomen. Es wird niemals möglich sein, zu sehen, wie ein Atom (wie auch immer) aussieht! Vielleicht ein computergeneriertes Bild, was etwas anderes ist. Lassen Sie sich nicht von Leuten täuschen (die für sensationelle Zeitschriften schreiben, um Geld zu verdienen), die sagen, dass sie es können. Schau dir dieses an:

Erstes Atom sichtbar gemacht

Lassen Sie sich von diesen Popularisierungen nicht täuschen! Sie sehen nicht die Atome, sondern ein Bild davon, was etwas ganz anderes ist. Stellen Sie sich vor, Sie hätten die Größe in der Größenordnung von Atomen. Wie könntest du sie sehen? Indem sie mit Photonen bestrahlt werden? Nein. Ich denke, Sie sind intelligent genug, um zu verstehen, warum das unmöglich ist.

Noch eins, aber das Letzte. In einer Antwort hier heißt es, dass QED in allen Berechnungen verwendet wird, die das Atom betreffen. Nicht wahr. @my2cts löst dieses Problem perfekt.

Das Wichtigste ist, den Unterschied zwischen Orbit und Orbital zu verstehen. Ursprünglich stellte man sich das Atom mit klassischen Umlaufbahnen vor (wie Planeten um Sterne), aber schließlich wurde QM entwickelt und jetzt sprechen wir über Elektronenorbitale.

In der Atomtheorie und Quantenmechanik ist ein Atomorbital eine mathematische Funktion, die das wellenartige Verhalten entweder eines Elektrons oder eines Elektronenpaars in einem Atom beschreibt. 1 Mit dieser Funktion kann die Wahrscheinlichkeit berechnet werden, ein beliebiges Elektron eines Atoms in einer bestimmten Region um den Atomkern herum zu finden. Der Begriff Atomorbital kann sich auch auf die physikalische Region oder den Raum beziehen, in dem das Elektron rechnerisch vorhanden sein kann, wie durch die besondere mathematische Form des Orbitals definiert.[2]

Heute haben wir im Wesentlichen drei Arten von Orbitalen:

1. Wasserstoff wie

2. Slater-Typ

3. Gaußscher Typ

Die aktuellen Atomorbitalmodelle beschreiben also im Grunde die Existenz der Elektronen um den Atomkern als Wahrscheinlichkeitsverteilung. Jetzt fragen Sie, ob diese bestimmte Formen haben? Ja, das tun sie.

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