Scientia

Al patrulea episod al documentarului dedicat mecanicii cuantice revine asupra principiului incertitudinii, continuă cu descrierea modelului cuantic al atomului de hidrogen, dar prezintă şi mecanismele care stau la baza apariţiei spectrelor de emisie şi de absorbţie ale atomilor diverselor elemente chimice.

Urmăriţi şi primele 3 părţi ale miniseriei dedicate mecanicii cuantice: PARTEA 1,  PARTEA a 2-a şi PARTEA a 3-a !

MAI MULTĂ INCERTITUDINE

Enunţul lui Werner Heisenberg conţine mai mult decât o simplă analiză CALITATIVĂ, atunci când face referire la imposibilitatea cunoaşterii simultane a poziţiei şi vitezei (mai exact impulsului, dat de produsul dintre viteză şi masă) unei particule. Germanul a scris şi o ecuaţie care descrie CANTITATIV relaţia dintre cei doi indicatori.

Principiul incertitudinii

Să vedem cum această informaţie ajută la o mai uşoară înţelegere a atomului de hidrogen, descris extrem de detaliat cu ajutorul ecuaţiei lui Schrödinger. Fără a intra în prea multe detalii, să ne referim mai întâi la cazul unui proton şi unui electron. Din moment ce electronul are masa foarte mică, acesta poate ocupa o regiune destul de mare în spaţiu. Protonul, dimpotrivă, are o masă considerabilă, de 2000 de ori mai mare ca cea a electronului, şi de aceea este dispus în spaţiu într-o regiune de mici dimensiuni.

Rezultatul observaţiilor anterioare este modelul cuantic al atomului de hidrogen. Adică un nucleu masiv de dimensiuni mici înconjurat de un "nor" de dimensiuni apreciabile care reprezintă electronul. Dacă privim un grafic simplu care descrie probabilitatea de a găsi electronul într-o zonă aflată la o anumită distanţă de nucleu, constatăm că pe măsură ce ne depărtăm de nucleu, la început probabilitatea creşte odată cu expansiunea zonei respective. Probabilitatea  atinge o valoare maximă şi apoi descreşte, timp în care norul electronic "se subţiază" tinzând spre zero la distanţe mari de nucleu.

În mod uimitor, zona unde probabilitatea atinge maximul corespunde perfect razei primei orbite permise în modelul atomului de hidrogen al lui Niels Bohr. Iar energia sa corespunde perfect cu energia electronului aflat pe această orbită în modelul lui Bohr. Astfel că aceasta este o imagine corectă a atomului de hidrogen cu electronul dispus pe cel mai de jos nivel energetic permis.

Electronul este dispus însă pe un orbital electronic, în loc de o orbită, ocupând în cea mai mare parte a timpului o zonă aflată faţă de nucleu exact la distanţa prezisă în cadrul modelului lui Bohr. Şi, mai mult, electronul posedă în cea mai mare parte a timpului energia pe care ar fi avut-o şi pe orbita din modelul Bohr.

STĂRI EXCITATE (NIVELURI ENERGETICE)

Atomul nu este întotdeauna în starea de energie minimă. Aşa cum există mai multe orbite permise în cadrul modelului atomic al lui Bohr, există şi alte niveluri energetice în cadrul modelului cuantic al atomului de hidrogen. Aceste stări sunt definite în principal prin intermediul numărului cuantic “n” de care am vorbit în episodul anterior. Şi pentru fiecare stare electronul posedă energii diferite care rezultă din forma orbitalului electronic.


Pentru n=1, starea fundamentală, orbitalul are o formă simetrică, aceeaşi în toate direcţiile. Pentru n=2, orbitalul asociat poate avea două forme, ambele cu aceeaşi energie asociată. Una este de nor sferic dublu - o sferă în interiorul alteia. Cealaltă formă a orbitalului corespunzător lui n=2 seamănă cu o halteră. Pentru alte valori ale lui "n", formele orbitalilor pot fi foarte stranii, ca de exemplu această combinaţie între o figură toroidală şi o halteră.

Orbital electronic

Un electron aflat pe cel mai de jos nivel energetic într-un atom poate sa intre în contact şi să absoarbă energia unui foton, primind astfel energie suficientă pentru a sări pe următorul nivel. Iar în cadrul procesului invers electronul revine pe nivelul energetic anterior, proces însoţit de eliberarea unui foton. Culoarea fotonului depinde de diferenţa de energie dintre cele două orbitaluri.

Astfel se explică apariţia liniilor spectrale asociate fiecărui element chimic. Din moment ce lumina albă are în componenţă toate culorile spectrului, atunci când un fascicul de lumină albă acţionează asupra unei mostre dintr-un element chimic în condiţii corespunzătoare, atomii acestuia absorb toţi fotonii care le permit electronilor lor să efectueze salturi între orbitali.

Astfel că spectrul de absorbţie este dat de toate culorile din componenţa luminii albe minus acelea care corespund diferenţelor de energie dintre orbitalii atomilor acelui element chimic. Şi când acei electroni revin în mod spontan pe nivelurile energetice de bază, apar liniile spectrale ale spectrului de emisie, linii corespunzătoare diferenţelor energetice între orbitalii caracteristici acelui element.

________
Notă: articolul de mai sus este reproducerea aproximativă a textului folosit în film.
Traducerea: Scientia.ro.
Credit: www.cassiopeiaproject.com

---

Adaugă acest articol la site-urile tale favorite de Social Bookmarking! Mulţumim!