Wie existieren Orbitale in einem Atom?

Hier gibt es bereits eine gute Antwort, aber es scheint noch einige Verwirrung zu geben, also werde ich auch meinen Beitrag leisten.

Die Regionen in Ihren Diagrammen entsprechen dem "wahrscheinlichsten Ort, um das Elektron zu finden", wenn es sich gerade in diesem Zustand befände. Darüber hinaus werden die Bereiche durch eine gewisse Schwellenwahrscheinlichkeit definiert, das Elektron an dieser Stelle zu finden. Technisch gesehen "überlappen" sich also alle Orbitale, weil die Wahrscheinlichkeitsamplitude für den gesamten Raum definiert ist. Wir erstellen diese Diagramme einfach, indem wir nur die wahrscheinlichsten Regionen zeigen.

Das Problem, das Sie zu haben scheinen, ist, dass die "Position" des Elektrons bestimmt, in welchem ​​​​Orbital es sich befindet. Das Gegenteil ist tatsächlich der Fall. Das Orbital, in dem sich das Elektron befindet, bestimmt seine Wahrscheinlichkeitsamplitude in der Positionsbasis.

Daher gibt es mehrere Gründe (wahrscheinlich mehr als ich gerade gesagt habe), mit "überlappenden" Orbitalen in Ordnung zu sein

1. Die Bereiche im Diagramm entsprechen einzelnen Orbitalen, wenn sich das Elektron nur in diesem Orbital befand (keine Überlagerungen)
2. Die Regionen im Diagramm zeigen nur einen Teil der Wahrscheinlichkeitsdichte. Technisch gesehen ist die Wahrscheinlichkeitsdichte im gesamten Raum definiert, sodass sich alle Orbitale an allen Punkten im Raum "überlappen".
3. Die "Position" des Elektrons bestimmt nicht, in welchem ​​Orbital es sich befindet. Wenn sich das Elektron in einem bestimmten Orbital befindet, können wir das Diagramm verwenden, um den wahrscheinlichsten Bereich zu bestimmen, in dem das Elektron beobachtet werden könnte.

Okay, jetzt verstehe ich dich. Ich werde versuchen, Ihre Frage im Kommentar in einfachen Worten zu erklären.

Wenn wir der Tatsache zustimmen, dass 1S- und 2P-Orbitale unterschiedliche Energien haben, kann das Raumvolumen, das diesen beiden Orbitalen gemeinsam ist, nicht existieren, da sie ziemlich unterschiedliche Energien haben, aber aus dem Bild und „meiner Meinung über die Beobachtung“ scheint es so zu sein .Das ist die Anomalie. Ich frage nur, wie Sie die Wahrscheinlichkeit erklären, ein Elektron in dem Raumvolumen zu finden, das zwei Orbitalen gemeinsam ist.

Beachten Sie jedoch, dass es äußerst schwierig (und „gefährlich“) ist, es jemandem zu erklären, der nicht viel mehr als High School QM weiß, aber ich werde es versuchen.

Ich gehe einer nach dem anderen.

If we agree to the fact that 1S and 2P orbitals have different energies

Ja. Nun, wir "stimmen" nicht nur überein, das ist einfach wahr, und es kann gezeigt werden. Das ist richtig.

then the volume of space common to those two orbitals cannot exist as they have quite different energies

Was? Wie kommt es, dass ein Volume nicht existieren kann? Das Volumen ist ein echtes 3D-Volumen. Es mag leer sein, aber es existiert.

Außerdem ist nichts falsch daran, wenn 2 Elektronen zusammen unterschiedliche Energien haben. Das Ausschlussprinzip von Pauli verbietet es, dass zwei Elektronen alle ihre Quantenzahlen teilen, aber wenn die Elektronen unterschiedliche Energien haben, dann ist es in Ordnung, am selben Ort zu sein.

Ich frage nur, wie Sie die Wahrscheinlichkeit erklären, ein Elektron in dem Raumvolumen zu finden, das zwei Orbitalen gemeinsam ist.

Dies ist komplexer und erfordert weitere QM-Kenntnisse.

Ich werde versuchen, eine intuitive Analogie herzustellen.

Sagen wir in QM, dass wir die Dinge einfach nicht wissen, bis wir sie messen. Wir wissen nicht, wo sich ein Elektron befindet, bis wir seine Position gemessen haben. Dies unterscheidet sich von der klassischen Mechanik, bei der Sie Positionen schätzen können, indem Sie nur grob schauen, ohne das System zu stören. Nicht hier; im QM weiß man nichts, bis man es misst.

Also, wie messen wir Dinge? Unabhängig davon, wie Wissenschaftler es schaffen, die geeigneten Instrumente zu entwickeln, ist das Messen ein „Aufdecken“ von unbekannten Informationen. Zum Beispiel: Wo ist das Elektron? Machen Sie ein Foto und finden Sie es heraus. "Oh, es war hier".

Im Gegensatz zur klassischen Mechanik (CM) ist die Quantenmechanik (QM) zufällig. Das bedeutet, dass die Position nicht immer dieselbe ist, selbst im selben System. Es gibt wesentliche Zufälligkeit.

Kommen wir also zum Punkt. Stellen Sie sich vor, Sie wollen den „Zustand“ messen. Das bedeutet, die Quantenzahlen des Elektrons zu messen, damit man sagen kann „Oh, das ist ein$1s$Orbital" (den Spin vernachlässigen wir vorerst).

Sie haben also ein Atom, Sie benutzen das Was-auch-immer-Meter und Sie finden heraus, dass das Elektron drin war$1s$.

Sie können ein anderes Elektron messen, das drin ist$2p$, mit$m=0$, Zum Beispiel.

Im QM ist eine „Linearkombination“ möglich$1s$Und$2p$. In diesem Fall werden Sie manchmal messen$1s$und manchmal$2p$. Es ist zufällig, aber es gibt eine genau definierte Wahrscheinlichkeit, jeden zu messen. Die Wahrscheinlichkeit hängt von der konkreten Verstrickung ab, die Sie haben.

Das ist also eine ausführlichere Antwort auf die erste Sache: Das gleiche Elektron kann gefunden werden$1s$oder$2p$, je nach Glück. Das ist für Neulinge seltsam, aber es ist grundlegendes QM.

Dies dient nur dazu, einige Ideen aufzustellen. Dies war jedoch nicht Ihre Frage . Wenn ich es richtig verstanden habe, lautete Ihre Frage, wie kann ein Elektron in einem "gemeinsamen Volumen" sein , oder?

Nun, das liegt daran, dass das Orbital nicht ausschließlich eine Ebene umfasst, wie Sie auf dem Bild sehen können.

Das Orbital, das Sie dort sehen, ist "das Volumen, in dem es wahrscheinlich gemessen wird$2p$".

Sie müssen die Quantenzahlen dem Elektron zuordnen, nicht dem Volumen . Das Volumen ist freies Land, und der Zustand (Quantenzahlen) gehört dem Elektron. Ein Elektron kann sich also um a bewegen$1s$orbital. Das bedeutet nur, dass "das Elektron in einem Volumen ist, in dem$1s$Elektronen sind wahrscheinlich dort".

Es ist also wie ein Tourist, der ein anderes Land besucht oder ein Land, das von zwei Ländern geteilt wird. Die Sache ist die, dass wir bei einer Messung das Elektron nach seinem Pass fragen und dann sehen, ob es ein war$1s$oder ein$2p$.

Um zusammenzufassen:

• Die Orbitale, die Sie dort sehen, sind nicht wie Bohr-Niveaus. In Bohr-Ebenen impliziert ein Elektron, das sich auf einer Ebene befindet, automatisch die Energie dieser Ebene.
• Dennoch handelt es sich nicht um eine Pegeldarstellung. Dies ist ein Bild der "Bände, die jede Nationalität zum Besuch verwendet".
• Einige Teilbände können von mehreren "Nationalitäten" besucht werden, was aber nicht bedeutet, dass Besucher ihre Nationalität wechseln.
• QM lässt jedoch zu, „eine Kombination von Nationalitäten“ zu sein. Dies bedeutet, Ihnen zufällig verschiedene Pässe zu zeigen. Dies geschieht in verschränkten Zuständen.

(Um genau zu sein, nachdem es Ihnen eines gezeigt wurde, wird es für immer dieses bleiben. Nach einer Messung wählt das "System" nur eines aus und bleibt dabei. Das Überraschende ist, dass identische Systeme, streng identisch, jedes davon anzeigen können Pässe, zufällig.)

Das ist also alles. Hoffe, ich habe geholfen.

Ein Elektron kann zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein Orbital besetzen, dh es kann sich beispielsweise entweder in 1s oder 2p befinden, aber definitiv nicht in beiden Orbitalen. Dies liegt daran, dass die beiden Orbitale ganz unterschiedliche Energien haben.

Das ist ganz richtig für Orbitale, die durch die Hauptquantenzahl n definiert , in den einfachen quantenmechanischen Lösungen für das Wasserstoffatom mit dem Energieeigenwert identifiziert und mathematisch auf Elektronen in Atomen und Molekülen extrapoliert werden.

Beachten Sie, dass$n$mit einer Wellenfunktion verbunden ist, ist es das komplex konjugierte Quadrat der Wellenfunktion, das die Orbitale definiert, dh Orbitale sind eine Wahrscheinlichkeitsverteilung, die einen Wert dafür angibt, wie wahrscheinlich es ist, das Elektron an einem bestimmten (r, theta, phi) zu finden.

Beachten Sie, dass alle s-Zustände, dh Nulldrehimpuls, eine Wahrscheinlichkeit haben, um r=0 herum zu existieren. Das bedeutet nicht, dass sie die gleiche Energie haben, denn die quantenmechanischen Lösungen für ein Potential geben nur Wahrscheinlichkeiten an.

Im klassischen Planetenmodell hängt die Energie einer Umlaufbahn vom Abstand vom Kraft-/Potenzialzentrum ab. In einem quantenmechanischen Modell ist die Energie ein Eigenwert der Lösung der quantenmechanischen Gleichung mit dem Potential, aber die Lösungen sind nicht mit Raumkoordinaten verbunden, außer durch Wahrscheinlichkeiten.

In protonenreichen Kernen kann ein Elektroneneinfang stattfinden , da in solchen Kernen die Wahrscheinlichkeit groß genug ist, dass Elektronen im s-Zustand mit der Wahrscheinlichkeitsverteilung eines Protons überlappen, und das Proton sich in ein Neutron und einen anderen Kern verwandelt. Es ist ein komplizierter Prozess, der durch die probabilistische Natur der Quantenmechanik existiert.

Die Zahl, die Sie angeben, ist nicht zu wörtlich zu nehmen. Es zeichnet die Orbitale mit einem konstanten Wert im Raum. In Wirklichkeit gibt es positive und negative, im Allgemeinen komplexe Wertebereiche. Zwei Orbitale sind verschieden, wenn sie orthogonal sind, das heißt, wenn das Integral über den gesamten Raum ihres Produkts Null ist. Da dieses eine Grand ein beliebiges Vorzeichen haben kann, ist es nicht erforderlich, dass ein Orbital überall dort Null ist, wo ein anderes nicht Null ist.