Wie springen Elektronen Orbitale?

Die bisherigen Antworten scheinen ziemlich gut zu sein, aber ich würde gerne einen etwas anderen Blickwinkel ausprobieren.

Bevor ich zu Atomorbitalen komme, was bedeutet es für ein Elektron, irgendwo zu "sein"? Angenommen, ich betrachte ein Elektron und sehe, wo es sich befindet (angenommen, ich habe ein sehr ausgeklügeltes/empfindliches/präzises Mikroskop). Das klingt einfach, aber was habe ich getan, als ich das Elektron „angeschaut“ habe? Ich muss ein Photon beobachtet haben, das gerade mit diesem Elektron interagiert hat. Wenn ich eine Vorstellung von der Bewegung des Elektrons bekommen möchte (nicht nur von seinem momentanen Impuls, sondern von seiner Position als Funktion der Zeit), muss ich es eine Zeit lang beobachten. Dies ist jedoch ein Problem, da ich das Elektron nur jedes Mal beobachten kann, wenn es mit einem Photon interagiert, das ich beobachten kann. Es ist mir eigentlich unmöglich, das Elektron kontinuierlich zu beobachten, ich kann nur Momentaufnahmen seiner Position machen.

Was macht das Elektron also zwischen den Beobachtungen? Ich glaube nicht, dass jemand diese Frage beantworten kann. Wir können nur sagen, dass das Elektron einmal am Punkt A und später am Punkt B beobachtet wurde. Es gelangte irgendwie von A nach B. Dies führt zu einer anderen Denkweise darüber, wo sich ein Elektron (oder ein anderes Teilchen) befindet.

Wenn ich einige der Eigenschaften des Elektrons kenne, kann ich vorhersagen, dass ich ein Elektron an manchen Orten eher beobachte als an anderen. Atomorbitale sind ein gutes Beispiel dafür. Ein Orbital wird durch 4 Quantenzahlen beschrieben, die ich nennen werde$n$,$l$,$m$,$s$(es gibt mehrere Notationen; ich denke, diese ist einigermaßen üblich).$n$ist eine Beschreibung, wie viel Energie das Elektron hat,$l$beschreibt seinen Gesamtdrehimpuls,$m$trägt einige Informationen über die Orientierung seines Drehimpulses und$s$charakterisiert seinen Spin (Spin ist ein eigenes Thema, sagen wir jetzt einfach, dass es eine Eigenschaft ist, die das Elektron hat). Wenn ich diese 4 Eigenschaften eines Elektrons kenne, das an ein Atom gebunden ist, dann kann ich vorhersagen, wo ich das Elektron am ehesten beobachte. Für einige Kombinationen von$(n,l,m,s)$die Verteilung ist einfach (z. B. kugelsymmetrisch), kann aber oft ziemlich kompliziert sein (mit Lappen oder Ringen, wo ich eher das Elektron finde). Es besteht immer die Möglichkeit, dass ich das Elektron ÜBERALL beobachten könnte, aber es ist VIEL MEHR WAHRSCHEINLICH, dass ich es in einer bestimmten Region finde. Dies wird üblicherweise als Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Position des Elektrons bezeichnet. Illustrationen wie diese sind irreführend, weil sie der Wahrscheinlichkeitsverteilung einen scharfen Rand verleihen; Was tatsächlich gezeigt wird, ist die Region, in der sich das Elektron zu einem hohen Prozentsatz der Zeit befindet.

Die Antwort darauf, wie ein Elektron zwischen Orbitalen „springt“, ist also eigentlich dieselbe wie die, wie es sich innerhalb eines einzelnen Orbitals bewegt; es "macht" einfach. Der Unterschied besteht darin, dass zum Wechseln der Orbitale eine Eigenschaft des Elektrons (eine der von beschrieben$(n,l,m,s)$) muss sich ändern. Dies wird immer von der Emission oder Absorption eines Photons begleitet (selbst ein Spin-Flip beinhaltet ein (sehr niederenergetisches) Photon).

Eine andere Denkweise ist, dass das Elektron keine genaue Position hat, sondern den gesamten Raum einnimmt, und Beobachtungen der Elektronenposition nur Manifestationen der grundlegenderen "Wellenfunktion" sind, deren Eigenschaften unter anderem die Wahrscheinlichkeit diktieren Verteilung für Positionsbeobachtungen.

Stellen Sie sich ein Elektron in großer Entfernung von einem Atom vor, mit nichts anderem in der Nähe. Das Elektron „weiß“ nichts über das Atom. Wir erklären es für null Energie. Es passiert nichts Interessantes. Das ist unser Bezugspunkt.

Wenn sich das Elektron bewegt, aber noch weit vom Atom entfernt ist, hat es kinetische Energie. Das ist immer positiv. Das Elektron, das immer noch nicht mit dem Atom wechselwirkt, kann sich bewegen, wie es will. Es hat positive Energie, und zwar in jeder möglichen Menge. Seine Wellenfunktion ist eine einfache laufende ebene Welle oder eine lineare Kombination davon, um beispielsweise eine Kugelwelle zu erzeugen. Seine Wellenlänge, bezogen auf die kinetische Energie, kann einen beliebigen Wert haben.

Wenn sich das Elektron in der Nähe des Atoms befindet, ziehen sich entgegengesetzte Ladungen an, und man sagt, dass das Elektron in einem Potentialtopf steckt. Es bewegt sich, hat also (immer) positive kinetische Energie, aber die Coulomb-Potenzialenergie ist negativ und in einer größeren Menge. Das Elektron muss langsamer werden, wenn es sich vom Atom entfernt, um eine konstante Gesamtenergie für das System aufrechtzuerhalten. Es erreicht eine Nullgeschwindigkeit (null kinetische Energie) in einer endlichen Entfernung, obwohl die Quantenmechanik ein bisschen Schummeln mit einer exponentiell abnehmenden Wellenfunktion jenseits dieser Entfernung erlaubt.

Das Elektron ist auf einen kleinen Raum beschränkt, eine kugelförmige Region um den Kern. Daher muss die Wellenlänge ihrer Wellenfunktion gewissermaßen in diesen Raum "passen" - genau ein oder zwei oder drei oder n Knoten müssen radial und in Umfangsrichtung passen. Wir verwenden die bekannte Quantenzahl n,l,m. Es gibt diskrete Energieniveaus und unterschiedliche Wellenfunktionen für jeden Quantenzustand.

Beachten Sie, dass das freie Elektron mit positiver Energie den gesamten Raum hat, in dem es sich bewegen kann, und daher keine bestimmte Anzahl von Wellenlängen in irgendetwas passen muss, also ein kontinuierliches Spektrum von Energieniveaus und drei reelle Zahlen (den Wellenvektor) zu beschreiben hat sein Zustand.

Wenn das Atom ein Photon absorbiert, springt das Elektron von sagen wir zum Beispiel vom 2s- auf ein 3p-Orbital, das Elektron befindet sich während dieser Zeit in keinem Orbital. Seine Wellenfunktion kann als zeitvariable Mischung der normalen Orbitale geschrieben werden. Lange vor der Absorption, die für ein Atom etwa einige Femtosekunden beträgt, ist diese Mischung zu 100 % im 2s-Zustand, und einige Femtosekunden oder so nach der Absorption ist sie zu 100 % im 3p-Zustand. Dazwischen, während des Absorptionsprozesses, ist es eine Mischung aus vielen Orbitalen mit wild wechselnden Koeffizienten. Es gab einen Artikel in Physical Review A um 1980 oder 1981, iirc, der einige Plots und Bilder zeigt und ausführlich darauf eingeht. Vielleicht waren es Reviews of Modern Physics. Denken Sie auf jeden Fall daran, dass diese Mischung nur eine mathematische Beschreibung ist.

Ein energiereicheres Photon kann das Elektron aus einem seiner diskreten Orbitalzustände mit negativer Energie in einen freilaufenden positiven Zustand - im Allgemeinen eine expandierende Kugelwelle - aus dem Atom werfen, es ist dasselbe wie zuvor, aber anstatt sich darauf einzustellen ein stetiges 3p, endet die Elektronenwellenfunktion als sphärische expandierende Hülle.

Ich wünschte, ich könnte ein paar Bilder zeigen, aber das würde Zeit brauchen, um es zu finden oder zu machen ...

Natürlich KÖNNEN Elektronen zwischen Orbitalen reisen, obwohl sie dies auf nicht konventionelle (klassische) Weise tun.

Die Frage der Bewegung von Elektronen zwischen Orbitalen ist Gegenstand der relativistischen Quantenmechanik oder, wie man es anders nennt, der Quantenfeldtheorie oder Quantenelektrodynamik.

Mit Worten kann ich die Situation folgendermaßen beschreiben.

Die Orbitale sind keine ORTE, sie sind EIGENE STAATEN von Energiebetreibern. Elektron kann in jedem Zustand existieren, aber dieser beliebige Zustand ist durch Superposition von Eigenzuständen darstellbar.

Also ein Elektron, das aus dem Orbital reist$\psi_1$zu orbital$\psi_2$wird vom Staat beschrieben$a \psi_1 + b \psi_2$wo$a$und$b$sind komplexe Gewichte der Superpositionskomponenten. Sie verändern sich im Laufe der Zeit, haben$a=1; b=0$zu Beginn des Prozesses und$a=0; b=1$.

Auch das wissen Sie$|a|^2 + |b|^2=1$zu jedem Zeitpunkt.

Das Gesetz dieser Veränderung ist exponentiell, dh$a(t) \sim e^{-\lambda t}$.

Die Parameter dieses Exponenten hängen von der Zustandslebensdauer ab. Je kürzer die Lebensdauer, desto mehr Exponentensteigung. Auch die Lebensdauer hängt mit der Zustandsunsicherheit zusammen. Je breiter der Staat, desto kürzer ist seine Lebensdauer.

Hier werde ich einige Missverständnisse in der Frage ansprechen, die in der Antwort von DarenW nicht angesprochen werden.

Meine Frage ist nicht, wie sie die Energie zum Springen erhalten, sondern warum. Wenn jemand das Emissionsspektrum eines Elements betrachtet, sehen wir ein Linienspektrum, das beweist, dass es außerhalb seiner Orbitale nicht existiert (andernfalls würden wir ein kontinuierliches Spektrum sehen).

Diese Emissions- und Absorptionsspektren

Kontinuum

Emissionsspektrum

Absorption

Kommt aus den Atomorbitalen, wie in DarenWs Antwort erklärt. Das heißt, der Kern mit seiner positiven Ladung, sagen wir Helium mit der Ladung +2, hat um sich herum zwei Elektronen, die in den von den Lösungen des quantenmechanischen Problems erlaubten "Umlaufbahnen" "umkreisen". Wobei "Umlaufbahnen" einen räumlichen Ort im dreidimensionalen Raum bedeuten, an dem die Wahrscheinlichkeit hoch ist, Elektronen zu finden, von Kugelform um den Kern mit sehr spezifischen Quantenzahlen.

Elektronen können in Form von Beta-Zerfall freigesetzt werden, was beweist, dass sie in der Lage sind, sich außerhalb von Orbitalen zu bewegen, im Gegensatz zu der Aussage meines Lehrers, dass sie innerhalb von Orbitalen bleiben. T

Dies ist ein Missverständnis. Beta-Zerfälle treten auf, wenn sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron verwandelt, und sie sind Phänomene, die den Kern betreffen, nicht das Atom. Das Atom wird gut durch elektromagnetische Wechselwirkungen beschrieben, der Kern wird durch starke Wechselwirkungen und schwache Wechselwirkungen beschrieben. Beta-Zerfälle sind eine schwache Wechselwirkung. Somit ist das Elektron des Beta-Zerfalls ein freies Elektron, sobald es sich materialisiert und aus dem Kern ausgestoßen wird, insbesondere wenn alle Orbitalstellen für freie Elektronen besetzt sind. Der Kern verwandelt sich dann in einen Isotopenkern mit der Ladung Z+1.

So wird der Neutronenzerfall derzeit visualisiert

Wie bewegen sich Elektronen zwischen Orbitalen, ohne Energie, die hinzugefügt wird, um Elektronen anzuregen?

Sie müssen Energie hinzufügen, um die Elektronen zu höheren Orbitalen anzuregen, und normalerweise geschieht dies mit dem Kick eines Photons der Energie der Lücke zwischen den Orbitalen.

und warum entstehen beim Beta-Zerfall manchmal Positronen statt Elektronen?

Aus Wikipedia über Elektroneneinfang

In allen Fällen, in denen der β+-Zerfall energetisch erlaubt ist, ist auch der Elektroneneinfangprozess erlaubt, wenn ein Atomelektron von einem Kern unter Emission eines Neutrinos eingefangen wird

Das bedeutet, dass sich ein Proton im Kern in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino verwandelt. Dies senkt das nukleare Z um eine Einheit und induziert eine Kaskade von Elektronen mit höheren Umlaufbahnen, die in das Loch fallen, das das eingefangene hinterlassen hat.

Elektronen sind keine Teilchen, wie sie im Atom existieren. Ich glaube, dass die Welle des Elektrons durch etwas gestört wird, das vom Kern aus passiert. Der Kern ist keine beständige Sache, aber seine Mitglieder sind die ganze Zeit in Bewegung. Angenommen, zu einer bestimmten Zeit gibt es einen Ausflug oder eine Veranstaltung eines der Mitglieder oder eines Bereichs des Kerns. Dies kann dazu führen, dass sich das Elektron auf eine höhere Schale bewegt. In ähnlicher Weise würde ein atomarer Zerfall stattfinden. Denken Sie an die Halbwertszeit. Es ist also wahrscheinlichkeitstheoretisch.