Warum ist im Wasserstoffatom die Elektronenbahn kugelförmig und nicht flach wie eine 2D-Bahnebene?

In einem Wasserstoffatom kreist ein Elektron um ein Proton, ähnlich wie ein Mond um einen Planeten. Die Umlaufbahn eines Mondes um einen Planeten ist flach (2D), während die Umlaufbahn eines Elektrons um ein Proton kugelförmig ist (3D). Warum ist das?

Aus diesem Grund sollten die Studenten so früh wie möglich vom Bohr-Atom abgebracht werden, und man sollte immer klar zwischen "Orbit" und "Orbital" unterscheiden.
"In einem Wasserstoffatom kreist ein Elektron um ein Proton, ähnlich wie ein Mond um einen Planeten" ...nein, ist es nicht, siehe zB Was ist falsch am Bohr-Modell? , Probleme beim Verständnis des Bohr-Modells des Atoms
@dmckee: keine Lügen mehr für die Kinder! ;-)
@Gert Lügen an Kinder sind wichtig und nützlich, aber sobald sie keine buchstäblichen Kinder mehr sind, sollten die Schüler wissen, wann sie belogen werden. Wenn auch nur, damit sie wissen, dass das Modell, das ihnen jetzt gegeben wurde, unvollständig ist und später mehr kommen wird.
@qftishard im Gegenteil, die Antwort lautet, dass es sich überhaupt nicht in einer Umlaufbahn befindet .
@dmckee: Es gibt ein Argument dafür, zuerst modernes QM des H-Atoms zu lehren und später Bohr als eine Frage der Geschichte zu diskutieren. Bildungssysteme sind aufgrund von Trägheit voller Ballast.
@Gert Das ist der richtige Weg, moderne Physik zu unterrichten, aber was sagt man Schülern in der Mittelschule oder im Gymnasium? Sie haben nicht den Hintergrund für die Realität, aber sie brauchen eine Vorstellung davon, wie ein Atom funktioniert, um mit dem Niveau der Chemie fertig zu werden, für das sie bereit sind.
Laff70, zusätzlich zu den Links, die @ACuriousMind anbietet, gibt es physical.stackexchange.com/q/89351 und mehrere andere Links auf der Website über die Beziehung zwischen Atomelektronen und ihren Kernen.
@dmckee: Die Version von Bohr, die sie bei MS bekommen, ist auch verdünnt. Es ist möglich, den SE auf einem ziemlich einfachen Niveau zu unterrichten und dann darauf aufzubauen. Mir wurde ab ungefähr 17 Jahren einfache Q-Chemie beigebracht. Ich lerne noch heute ...
Ich kenne die Idee, dass es sich nicht wirklich um eine Umlaufbahn handelt, sondern eher um eine Wahrscheinlichkeit, dass sich das Elektron aufgrund der Wellenfunktion des Elektrons an einem bestimmten Ort befindet. Es macht aus logischer Sicht einfach keinen Sinn. Ich denke, ich werde später heute noch einmal versuchen, ein Wasserstoffatom zu simulieren, aber dieses Mal machen Sie das Zentrum der Kraftemission anders als den Schwerpunkt und geben ihm ein gewisses Drehmoment. Hoffentlich bringt es das Elektron in eine 3D-Umlaufbahn.
@Laff70: "Es macht aus logischer Sicht einfach keinen Sinn". Nein, es ergibt absolut logischen Sinn. QM erscheint zunächst kontraintuitiv, aber man gewöhnt sich sehr schnell daran. Um zu sehen, warum Ihr Modell zum Scheitern verurteilt ist, untersuchen Sie einfach die Paradoxien, zu denen Bohrs Modell führt.
@Gert Ich denke nicht, dass die Vorstellung, dass sich Teilchen wie Elektronen und Photonen als Wellen manifestieren können, richtig ist. Wellen brauchen ein Medium, um sich auszubreiten (daher suchten Wissenschaftler nach dem Äther). Elektronen und Photonen haben kein Medium und können daher keine Wellen sein. Stattdessen denke ich, dass es komplexe kraftbasierte Wechselwirkungen gibt, die zu wellenartigen Eigenschaften führen. Da das aktuelle Modell des Atoms Elektronen als Wellen erfordert, halte ich es für nicht korrekt.
@ Laff70 Beachten Sie, dass Sie "gesucht" gesagt haben. Sie haben es nicht gefunden, weil es nicht da ist. Elektromagnetische Wellen brauchen kein „Medium“ in dem Sinne, wie Wasserwellen, Schall oder Wellen an einer Saite ein Medium brauchen, aber sie existieren trotzdem. Ich fürchte, Sie liegen damit eher falsch als richtig: Wir führen Experimente durch, bei denen wir die Beugung und Interferenz von Objekten wie Elektronen, Neutronen und sogar verwenden C 60 Atome, ihr wellenartiges Verhalten ist also eine experimentelle Tatsache.
@ Laff70 - Dies ist ein (sehr) tangentialer Kommentar, aber Sie sollten wissen, dass ein Planet / Stern / Schwarzes Loch, das "in der Nähe" eines schnell rotierenden großen Schwarzen Lochs umkreist, nicht in einer einfachen 2D-Ebene wie unseren Planeten umkreist. Mit genügend Zeit (wenn man die verfallenden Umlaufbahnen ignoriert) wird der Satellit effektiv eine ganze kugelförmige Hülle um das große Schwarze Loch herum abdecken. Die Verzerrungen durch Gravitationswellen und Frame Dragging können die Felder und Raum-Zeit-Metriken so verändern, dass 2D-Orbits nicht mehr möglich sind ...
@ Laff70: "Ich denke nicht, dass die Vorstellung, dass sich Teilchen wie Elektronen und Photonen als Wellen manifestieren können, richtig ist." Abgesehen von dem entsprechenden Kommentar von dmckee (nicht alle Wellen brauchen ein Medium), sind die Materiewellen, von denen wir in QM sprechen, nicht mit klassischen Wellen wie Schall- oder Wasserwellen gleichzusetzen. Die Wahrscheinlichkeitsamplituden sind jedoch wellig und Quantenteilchen zeigen ein welliges Verhalten wie Beugung.
@ Laff70 Versuchen Sie nicht, Wasserstoff mit klassischer Physik zu modellieren. Sie können verschiedene Kraftgesetze ausprobieren, aber Sie werden den Punkt völlig verfehlen. Die Kraft im (einfachsten Modell) eines Wasserstoffatoms ist einfach das umgekehrte quadratische Gesetz einer Punktladung. Das zu ändern, bringt Sie nirgendwo hin.
@garyp: Lass ihn es in der Mainstream-Physik versuchen und poste seinen Fortschritt hier als Frage. Ich für meinen Teil wäre ganz Ohr (kein Snark).
@dmckee Ich glaube nicht, dass es einen Äther gibt.
@honeste_vivere könnten Sie mir bitte weitere Informationen zu diesem Phänomen geben?
@garyp Ich plane immer noch, es zu versuchen.
Die Antwort auf Ihre Frage lautet, dass der Hamiltonian unter dreidimensionalen Rotationen symmetrisch ist.
Ich würde mir diese Seite ansehen, um die Sache mit dem "Elektron als Welle" zu klären, und eine dieser beiden ( 1 ) ( 2 ) Seiten für Informationen über die Form von Elektronenorbitalen.

Antworten (2)

Man muss einerseits zwischen einem Orbit und einer Orbitalbewegung unterscheiden, die klassische Begriffe sind; und andererseits ein Orbital, was ein quantenmechanischer Begriff ist, vgl. obiger Kommentar von dmckee.

Wenn die Frage wirklich lautet : Warum Quantenmechanik?, dann schauen Sie sich zB diesen Phys.SE-Beitrag und die darin enthaltenen Links an.

Hier nehmen wir an, dass OP die Quantenmechanik so akzeptiert, wie sie ist, aber wirklich verwirrt ist, warum das Elektron nicht auf eine 2D-Ebene beschränkt ist?

Durch Rotation des Koordinatensystems können wir ohne Beschränkung der Allgemeinheit annehmen, dass dies der hypothetischen 2D-Ebene entspricht z = 0 .

Quantenmechanisch lässt sich diese Frage tatsächlich realisieren. Sie entspricht einer Wellenfunktion ψ das hat Unterstützung bei z = 0 , sagen wir, wegen eines Wellenfunktionskollaps nach der Messung z = 0 .

Berechnet man jedoch die durchschnittliche Energie ⟨ ψ | H ^ | ψ ⟩ , wäre es positiv, wegen der Nichtkonstanz der Wellenfunktion in der z -Richtung packt viel positive kinetische Energie.

Das Elektron wäre also nicht mehr an den Kern gebunden. Die genaue Messung z = 0 intuitiv so viel Energie auf das Elektron übertragen, dass es nicht mehr gebunden ist.

Nun das Beobachtbare z ^ pendelt nicht mit dem Hamiltonoperator H ^ . Wenn wir wollen, dass das Elektron an den Kern gebunden ist, und damit die durchschnittliche Energie ⟨ ψ | H ^ | ψ ⟩ negativ ist, können wir die nicht kennen z -Position sehr gut, vgl. Heisenbergsche Unschärferelation (HUP) .

Mit anderen Worten, die Wellenfunktion muss eher in einer 3D-Masse als in einer 2D-Ebene unterstützt werden. Anders ausgedrückt wird eine 3D-kugelsymmetrische Wellenfunktion energetisch bevorzugt, um möglichst wenig Energie zu haben.

Elektron in einem Wasserstoffatom im Grundzustand hat einen Drehimpuls von Null L 2 , l=0.

Der Mond hat einen enormen Drehimpuls. Daher ist es ein schlechter Vergleich.

Wenn der Mond in der klassischen Physik einen Drehimpuls von Null hätte, würde er herunterfallen und auf die Erde treffen.

Das Elektron in einem Wasserstoffatom im Zustand l = 0 wird ständig zum Zentrum gezogen, aber dem wird durch die quantenmechanische kinetische Energie entgegengewirkt, die das Orbital endlich macht.

Gäbe es ein Elektron mit der Masse-, Drehimpuls- und Ortsunschärfe des Mondes, wäre dies eine Linearkombination von sehr hohen (l=1853728172728993937272292662182829 und so) Drehimpulszuständen. Mit anderen Worten, es ist möglich, Winkelwellenfunktionen zu erzeugen, die planar sind. Sie existieren bereits auf molekularer Ebene.

Warum ist im Wasserstoffatom die Elektronenbahn kugelförmig und nicht flach wie eine 2D-Bahnebene?
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