Wie "bewegt" sich ein Elektron in einem sss-Orbital?

Ich habe auf StackExchange mehrere Antworten zu dieser Frage gelesen, konnte aber keine konkrete Antwort finden. Wie bei anderen Fragen frage ich den Grund, warum ich nach dem frage S -orbital ist, weil es einen Bahndrehimpuls von Null hat. Aber die Implikation eines Drehimpulses von Null ist unklar? Einige Antworten diskutieren Wahrscheinlichkeitsverteilungen, aber die Frage ist, wie es mehrere Orte für ein Elektron geben kann, wenn es sich nicht bewegen kann. Ich habe eine andere Antwort gelesen, die besagt, dass das Elektron durch den Kern geht oder sich als Welle um ihn herum krümmt. Ich würde mich freuen, wenn jemand eine Lösung für diese Frage liefern könnte.

"Verschieben" bedeutet zeitliche Entwicklung des Zustands, der gegeben ist durch | ψ ( T ) ⟩ = e − ich H T | ψ ( 0 ) ⟩ = e − ich E S T | ψ ( 0 ) ⟩ .
Elektronen können gleichzeitig an mehr als einem Ort existieren.
+1 zur Antwort von anna v. Das Wort "Teilchen" bedeutet in einem Physikklassenzimmer etwas ganz anderes als draußen. (Das Gleiche gilt für „Arbeit“ und „Hitze“ und „Fremdheit“ usw.). Sie müssen Ihre alltäglichen mentalen Bilder beiseite legen.
Es bewegt sich nicht in diesem Orbital, es existiert in diesem Orbital. Wenn Sie es wiederholt untersuchen, kann es an verschiedenen Orten gefunden werden, ohne sich zwischen ihnen zu "bewegen", aber immer noch in genau derselben räumlichen Verteilung bleiben.

Antworten (2)

Für mich ist die physikalische Implikation des Drehimpulses Null, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Elektrons kugelsymmetrisch ist. Auf der tiefsten Ebene beschreibt die Drehimpuls-Eigenschaft in der Quantenmechanik, wie sich etwas unter Drehungen verändert (siehe Satz von Noether ). Obwohl dies eine ziemlich abstrakte Eigenschaft ist, bezieht sie sich im Fall von Elektronenorbitalen auf etwas äußerst Konkretes und Visualisierungsfähiges: nämlich die Form der Winkelwahrscheinlichkeitsverteilung .

Jede Interpretation, die auf klassischen Konzepten basiert, ist irgendwann zum Scheitern verurteilt. In diesem Fall entsteht die Verwirrung durch die Vorstellung, dass sich das Elektron an einem bestimmten "Ort" befindet oder dass es sich "bewegt". Die einzig wirklich nützliche Beschreibung des Elektrons, die gefunden wurde, ist die Quantenwellenfunktion und ihre entsprechende Wahrscheinlichkeitsverteilung.

Wie bedeutet Drehimpuls null kugelsymmetrisch? Ich vermute, dass die Antwort mathematisch bewiesen werden kann, aber es gibt eine physikalische Erklärung dafür.
@ user29568 Das tiefste verfügbare Verständnis dieses Punktes erfolgt über das in meinem Beitrag verlinkte Noether-Theorem, das dennoch etwas Mathematik erfordert. Wenn Sie eine physikalische Analogie wünschen, beachten Sie, dass selbst klassisch ein Objekt mit einem Drehimpuls ungleich Null eine Rotationsachse hat, die eine bevorzugte Richtung im Raum definiert. Zu sagen, dass ein Objekt keinen Drehimpuls hat, ist gleichbedeutend mit der Aussage, dass es keine solche Achse gibt, daher sind alle Richtungen äquivalent und wir haben Kugelsymmetrie. Im Allgemeinen entspricht ein Drehimpuls von Null der Eigenschaft der perfekten Rotationsinvarianz.
Ich glaube, ich habe verstanden, was Sie sagen. Da das Elektron also keinen Drehimpuls hat, hat es keine bevorzugte Richtung, was bedeutet, dass es sich grundsätzlich in alle Richtungen bewegen kann, die durch eine Kugelfläche definiert sind. Aber was macht die im s-Orbital definierten Elektronen so besonders, dass sie keinen Drehimpuls haben? Ist es ihre Standardeinstellung?
@ user29568 Jedes Mal, wenn Sie etwas sagen oder denken wie "ein Elektron kann in alle Richtungen fliegen", verwirren Sie sich selbst. Ein atomares Elektron "geht" nirgendwo hin, sondern existiert in einem Orbital: Dies ist ein Naturzustand, in dem ein Elektron nur eine geringe Wahrscheinlichkeit hat, sich an einem Ort aufzuhalten. Wie Annas Antwort zu betonen versucht hat, haben die Elektronen keine Bahnen, und der Versuch, die Wahrscheinlichkeitsverteilung in Bezug auf diese zu verstehen, wird nicht funktionieren und Sie nur verwirren. Die Unschärfe ist eine intrinsische Eigenschaft des Elektrons, sie hat nichts mit einer zugrunde liegenden Bewegung zu tun.
Der spezielle s-Orbitalzustand ist einfach eine der unendlich vielen Lösungen, die es für die Schrödinger-Gleichung eines Atoms gibt. Der Grund, warum es genau null Drehimpuls haben kann, hängt mit der Quantendiskretheit anderer Größen wie Energie für gebundene Zustände zusammen. Am besten lässt sich dies in Analogie zu stehenden Wellen in der klassischen Physik verstehen, die nur bestimmte quantisierte Werte von Frequenz und Wellenlänge besitzen können. Letztendlich hängt dies mit den Eigenschaften wellenartiger Gleichungen zusammen, wenn die Randbedingungen die Beschränkung der Lösung auf einen endlichen Bereich erfordern.
Letztendlich wird also alles auf atomarer Ebene durch mathematische Gleichungen ohne ursprüngliche und physikalische Konzeptualisierung und Gewissheit darüber definiert. Kein Wunder, dass dies Einstein enttäuschte. Danke aber für deine Antwort
@ user29568, wenn überhaupt, verbessert Mathematik die Gewissheit, da es schwierig ist, überprüfbare Vorhersagen über bloße Intuitionen zu treffen. Sobald Sie diese Messungen manipulieren, messen und Vorhersagen treffen können, können Sie Wissenschaft betreiben. Die Herausforderung besteht darin, dass, während wir immer tiefer eintauchen, die Dinge, die wir modellieren, nicht mehr die Dinge sind, für deren intuitives Verständnis wir uns entwickelt haben. Wir wissen genau, wie es ist, einen Stein zu werfen und vorherzusagen, wohin er fallen wird, aber das Verständnis von Wahrscheinlichkeitsverteilungen erfordert etwas mehr Arbeit.

Elektronen sind Elementarteilchen. Elementarteilchen sind quantenmechanische Größen, deren Wechselwirkungen sehr gut durch die Lösungen quantenmechanischer Differentialgleichungen beschrieben werden. Orbitale sind die mathematische Beschreibung dieser Lösungen.

Elementarteilchen sind keine Teilchen im Sinne einer Billardkugel mit einer bestimmten (x,y,z)-Bahn. Sie bewegen sich nicht in Lösungen klassischer Mechanikprobleme. Deshalb werden sie Orbitale und nicht Orbits genannt. Sie haben einen Ort im Raum, der durch eine Wahrscheinlichkeitsfunktion beschrieben wird, die gleich dem Quadrat der Wellenfunktion der Lösung ist.

Wasserstofforbital

Sie haben Wasserstofforbitale mit einem ausgeklügelten Mikroskop vermessen , die Elektronen befinden sich also nicht in einer Umlaufbahn, sondern in einer räumlichen Verteilung

Atomare Abstände , wie im Bild, liegen in der Größenordnung von 10^-10 Metern, das Proton im Bild ist bei Durchmessern von 10^-15 Metern lokalisiert. Da dies Volumina betrifft, geht die Wahrscheinlichkeitsverteilung des S-Zustands mit einer sehr kleinen Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung durch den Ort, an dem sich das Proton befindet. An diesem Punkt sollte man das Problem mit der zweiten Quantisierung lösen, nicht mehr die einfache Schrödinger-. Dazu gibt es Studien .

Der Fall des Positroniums , das ähnliche Lösungen wie die Wasserstofflösungen hat, eine Weile lebt und dann vernichtet, ist ein experimenteller Beweis dafür, dass der S-Zustand durch das Zentrum des Potentials geht.

Auch Elektroneneinfang aus dem S - Zustand wird in protonenreichen Kernen beobachtet .

Ich weiß, dass ein Elektron keine bestimmte Flugbahn hat, aber die Orbitale sind keine Funktion, mit der wir die Wahrscheinlichkeit berechnen können, ein Elektron in einer bestimmten Region des Raums zu finden. Meine Frage ist, wie kann das Elektron mehrere mögliche Orte haben, wenn es sich nicht bewegen kann. Oder ist es nur so, dass wir nicht vorhersagen können, wie es sich mit der Zeit entwickelt, da es unmöglich ist, genau vorherzusagen, wo sich ein Elektron befinden würde?
Es ist Quantenmechanik. Wenn es eine Zeitabhängigkeit in der Wahrscheinlichkeitsverteilung gibt, erscheint eine Zeitabhängigkeit. Andernfalls handelt es sich nur um die Auslosung der spezifischen Messung (wie im Bild oben). Ähnlich einer stehenden Welle auf einer Saite ist es in der ganzen Saite.
Ich glaube nicht, dass ich folge. Hat das Elektron als Teilchen eine Geschwindigkeit?
Wenn ja, bedeutet das nicht, dass es in Bewegung ist. Sind also die im s-Orbital beschriebenen Elektronen in Bewegung oder stehen sie still?
Es kommt auf den Versuch an. Elektronen in einem Beschleuniger haben eine Geschwindigkeit. Elektronen in einer Kathodenstrahlröhre haben eine Geschwindigkeit. Dies liegt daran, dass sie nicht gebunden sind und nur durch die Heisenbergsche Unschärferelation probabilistisch begrenzt werden. Gebundene Elektronen sind durch die Randbedingungen der Lösung der Shrodinger-Gleichung vollständig probabilistisch begrenzt. Die Wellenfunktion befindet sich nicht in einem Eigenzustand des Geschwindigkeitsoperators. Es befindet sich in einem energetischen Eigenzustand. Schätzen der Geschwindigkeit unter Verwendung von 1/2mv**2, aber es bedeutet nicht viel: eine durchschnittliche Zahl, die mit dem unphysikalischen Bohr-Modell zu vergleichen ist
Wie "bewegt" sich ein Elektron in einem sss-Orbital?
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