Gibt es eine Bedeutung von Atomorbitalen?

Uns wurde beigebracht, dass die Atomorbitale, über die wir lesen, ein Wahrscheinlichkeitsdichtebereich sind, in dem Elektronen mit bestimmten Energien gefunden werden, die durch die verschiedenen Quantenzahlen bezeichnet werden.

Da es ein hohes Maß an Unsicherheit gibt, wenn wir nur über die Position der Detektion eines Elektrons sprechen, sowie die Energie, die wir "beobachten" und die möglicherweise nicht die tatsächliche Energie des beobachteten Elektrons ist, was dann die ist Bedeutung eines Atomorbitals?

Ich bin nicht sehr belesen in den verschiedenen Techniken und Theorien, die wir im Laufe der Zeit entwickelt haben, aber ich denke dennoch, dass Atomorbitale bestenfalls ein Bereich mit hoher Wahrscheinlichkeit sind, bestimmte Elektronen zu finden. Da wir das nicht mit ausreichender Sicherheit können müssen, wie können wir dann die Gültigkeit der Existenz von Orbitalen überprüfen?

Ist es möglich, dass die Idee des Atomorbitals heute im Sinne der modernen Entwicklung veraltet ist und nur noch zur vereinfachten Erklärung komplexer Elektronenbewegungen und -phänomene verwendet wird?

Insgesamt interessiere ich mich für die Bedeutung von Atomorbitalen. Google bietet verschiedene Links, die die Theorie erklären und ihre Verwendung in der modernen Chemie auflisten, aber ich konnte nichts finden, was die Bedeutung richtig erklärt oder sogar versucht, das tatsächliche Vorhandensein von so etwas wie einem Atomorbital zu erklären, außer zu sagen, dass wir so und so Wahrscheinlichkeitsregionen finden beim Arbeiten mit Schrödinger-Gleichungen.

Nach Antworten und Kommentaren hinzugefügt: Die Antworten listen nur die Verwendung des Konstrukts auf. Ich habe versucht zu sagen, dass ich daran interessiert bin, herauszufinden, ob so etwas wie ein Orbital tatsächlich vorhanden ist oder nicht.

Vielleicht hilft ein Beispiel, es gibt keine Begrenzung für ein Elektron mit einer bestimmten Energie, sich in einem Orbital zu bewegen, das gebündelt oder doppelt gebündelt ist! Ich stimme zu, dass Elektronen bestimmte Energien haben, die durch Quantenzahlen beschrieben werden, aber wie kann man definitiv beweisen, dass sich ein Elektron, das zu sagen wir 2p_x gehört, in einem dumbled geformten Orbital befindet?

Nochmal, sind Orbitale wahr? Sind sie tatsächlich aussagekräftig und nicht nur ein hilfreiches mathematisches Konstrukt? Kann es endgültig bewiesen werden?

@JohnRennie: Ich habe diesen Artikel schon einmal gelesen, aber mir ist auch aufgegangen, dass das Bild, das sie erhalten haben, einen Knoten hat! Nach dem, was uns beigebracht wird, hätte ein Wasserstoffatom mit einem einzelnen Elektron nur ein 1s-Orbital haben sollen, wir bekommen eindeutig ein 2s- oder ein anderes Orbital, das genauso gut durch einen Knoten getrennt ist, was die Theorie untergräbt!
@rijulgupta In dem Artikel, den JohnRennie zitiert, wird ein Laser verwendet, um das H zu einer Mischung aus n = 2 s- und p-Zuständen anzuregen.
@DavePhD: Ich hätte dir definitiv zugestimmt, aber siehe hier, das Bild, von dem ich gesprochen habe, ist als 3. Zustand aufgeführt, es müssen 2 Knoten für den 3. Zustand vorhanden sein, aber abgesehen von einer extrem kleinen Stelle wie einer Leerstelle gibt es keinen klaren Knoten! Ich versuche nur darauf hinzuweisen, dass etwas nicht stimmt!
@rijulgupta Sie sagen, es sei der (2,27,0) Stark-Zustand. Ich kenne mich mit Starks Zuständen nicht aus, aber ich denke, dies sind Zustände eines Wasserstoffatoms in einem elektrischen Feld. Ich glaube nicht, dass dies dasselbe ist wie die gewöhnlichen Wasserstoffzustände ohne angelegtes Feld.
@DavePhD: Davon habe ich auch keine Ahnung. Soo, das beantwortet dann zumindest nicht die Orbitalfrage!
Mir scheint, Sie fragen eigentlich nicht nach atomaren Zuständen, sondern "Sind Wellenfunktionen real oder nur ein mathematischer Trick?"

Antworten (4)

Ja, Atomorbitale sind sehr bedeutsam.

Ein Elektron, das sich in einem bestimmten Orbital befindet, entspricht einer bestimmten Energie. Wenn ein Elektron zwischen zwei Orbitalen wechselt, ist die Energie des absorbierten oder emittierten Photons die Differenz zwischen den Energieniveaus der Orbitale.

Wichtig ist auch die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion. Zum Beispiel hat ein s-Orbital-Elektron eine Wahrscheinlichkeit, innerhalb des Kerns zu sein. Dies führt zu einer Fermi-Kontaktwechselwirkung , die beobachtbare Auswirkungen in der NMR- und ESR-Spektroskopie und beim Elektroneneinfang hat.

Ich bin nicht in Fermi-Kontaktwechselwirkung, NMR oder ESR ausgebildet, aber ich weiß, dass das Emissions- oder Absorptionsspektrum zuerst für Wasserstoffatome entwickelt wurde und Energieunterschiede zwischen Orbits und nicht Orbitalen berücksichtigt. Bitte lesen und finden Sie die Formel hier. Es verwendet eindeutig das Konzept von Bahnen, nicht von Orbitalen. Wenn Sie sagen wollen, dass Orbits aufgrund dieses Phänomens wahrer sind als Orbitale, dann würde die gesamte Chemie an den Wurzeln zittern!
Das Bohr-Modell der festen Bahnen ist falsch. Die Wellenfunktionslösungen (Orbitale) der Schrödinger-Gleichung sind gute Näherungen. Die Energieniveaus des Bohr-Modells und des Schrödinger-Modells sind jedoch genau gleich. Für eine größere Genauigkeit werden die Sommerfeld-Erweiterung des Bohr-Modells oder die Dirac-Erweiterung der Schrödinger-Gleichung benötigt (wieder geben Sommerfeld und Dirac beide die gleichen Energieniveaus an). Für eine noch größere Genauigkeit wird QED benötigt.
Auch hier bin ich überhaupt kein Experte, aber die Energieunterschiede von Orbitalen unterscheiden sich auch nur geringfügig von denen der Umlaufbahnen, die die Rydberg-Formel verwendet N als Orbitnummer und hat nichts mit Orbital zu tun, sicher ist es für Mehrelektronensysteme ungültig, aber es beinhaltet immer noch keine Orbitale, wenn Sie sagen, dass das Spektrum die Energielücke von Orbitalen und nicht von Orbits beinhaltet (beides nur mathematische Konstrukte und unrealistisch gem. für mich) würde das die Formel von Rydberg nicht verfälschen. Meine Frage bezieht sich auf die tatsächliche und realistische Bedeutung von Orbitalen und nicht auf ihre mathematische Notwendigkeit und Verwendung!
Ich denke, Sie verwechseln den Begriff "Orbital" mit einer bestimmten Quantenzahl wie l oder m im letzten Kommentar. Das Orbital wird mit (n, l, m) bezeichnet, wie z. B. 1s, 2s, 2p_x usw. Die Rydberg-Formel und die Schrödinger-Gleichung besagen, dass das 1s-Orbit (al) eine andere Energie hat als das 2s-Orbit (al) und das die 2er und alle 2p-Orbit(ale) haben die gleiche Energie. Dies ist nur annähernd wahr, daher die Sommerfeld-Formel und die Dirac-Theorie, die zeigen, dass es einen kleinen Unterschied zwischen den Energien der 2s-Umlaufbahn (al) und der 2p-Umlaufbahn (al)s gibt.
Nehmen wir einfach an, dass Elektronen nur bestimmte gültige Energien haben, die mit den 4 Quantenzahlen verbunden sind; Meine Frage bleibt! Gibt es so etwas wie ein Orbital? Soweit es uns interessiert, könnten diese Elektronen überall sein! Ist die Ansicht/das Modell der Wahrscheinlichkeitsdichte korrekt? ist es, dass nur die Elektronen, von denen wir wissen, dass sie eine bestimmte Energie haben, in diesen bestimmten Regionen gefunden werden, von denen wir sagen, dass sie gefunden werden müssen?
Der Fermi-Kontakt, der nur für s-Orbitale auftritt, da s-Orbitale die einzigen mit endlicher Dichte am Kern sind, ist das deutlichste Beispiel dafür, dass das Wahrscheinlichkeitsdichtemodell meines Wissens korrekt ist. Ich empfehle, über Hyperfeinstruktur und Fermi-Kontakt zu lesen.
Ich müsste darüber lesen, bevor ich zu tief einsteige, aber ich kann eine Frage aufwerfen, woher man wissen würde, dass es nur die s-Orbitalelektronen sind, wenn es nur um die Wahrscheinlichkeitsdichte geht?
Die berechnete Hyperfeinstruktur von Wasserstoff (die sich nur darauf stützt, dass s-Elektronen eine Dichte am Kern haben) würde den Beobachtungen nicht entsprechen.
Ich habe wirklich kein einziges Wort des letzten Kommentars verstanden!
Lesen Sie zunächst Folgendes: en.wikipedia.org/wiki/Hyperfine_structure

Es gibt eine andere "Nützlichkeit" von Orbitalen als Wahrscheinlichkeiten, die meiner Meinung nach wichtig zu beachten ist und aus Ihrer Frage, ob Sie damit vertraut gemacht wurden, nicht klar hervorgeht.

Die Wellenfunktion Ψ ( X , T ) die Darstellung eines bestimmten Atomorbitals erfüllt die Schrödinger-Gleichung für das Atom. Das heißt, der Eigenwert, aus dem man extrahiert Ψ ( X , T ) stellen das Energieniveau dieses Orbitals dar. In gewissem Sinne ist das Energieniveau in Form von „kodiert“. Ψ ( X , T ) (für ein gegebenes Potential).

Historisch gesehen hat Schrödinger auf diese Weise zum ersten Mal von seiner Gleichung Gebrauch gemacht; nicht aus probabilistischer Sicht, sondern aus der Ableitung des Wasserstoffenergiespektrums.

Es ist schwer, die genaue Ursache Ihrer Verwirrung zu lokalisieren.

Zum Beispiel stellen Sie fest, dass "Atomorbitale bestenfalls ein Bereich mit hoher Wahrscheinlichkeit sind, bestimmte Elektronen zu finden. Da wir dies nicht mit ausreichender Sicherheit tun können, wie können wir dann die Gültigkeit der Existenz von Orbitalen überprüfen?"

Die Wahrscheinlichkeit ist in diesem Fall eine Wahrscheinlichkeit für eine einzelne Messung, die völlig unkorreliert ist mit der gleichen Art von Messung an einem anderen Atom, das einen Mikrometer entfernt ist. Wenn Sie genügend Messungen zusammenfassen, heben sich die Unsicherheiten auf.

Die Bedeutung dieser Orbitale ist für Chemiker von entscheidender Bedeutung. Die grundlegende organische Chemie hängt davon ab, dass sich s- und p-Orbitale überlappen, um Bindungen zu bilden. Im Wesentlichen gibt ein Orbital an, wo sich ein Elektronenpaar befinden kann (ein Spin nach oben, ein Spin nach unten). Wo sich zwei Atome nähern, können sie ein gemeinsames Orbital entwickeln. Wenn beide Atome Orbitale mit nur einem einzigen ungepaarten Elektron haben, kann das gemeinsame/verschmolzene Orbital ein Paar halten. Ein Elektronenpaar mit entgegengesetztem Spin zu haben, ist energetisch vorteilhaft, was erklärt, wie die Bildung eines solchen Paares in einem gemeinsamen Orbital eine stabile Bindung zwischen Atomen bildet.

Es gibt sogar ausgefallenere Orbitale, insbesondere in Benzol und ähnlichen zyklischen Molekülen. Wir wissen, dass Benzol ziemlich flach ist, was das Ergebnis von Orbitalen auf beiden Seiten des Rings ist. Diese führen zu dem eher ungewöhnlichen Verhalten von Benzol.

Die Existenz von Atomorbitalen, wie sie von der Quantenmechanik beschrieben werden, wurde in einem Experiment direkt untersucht. Damit verbunden ist auch, dass STM die Elektronendichte einer Oberfläche zeigen kann, und diese Dichte ist ungefähr die gleiche wie das Elektronenorbital für ein Vielatomsystem.

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