Comment les électrons sautent-ils sur les orbitales?

Bored915

Comment les électrons sautent-ils sur les orbitales?


Ma question n’est pas de savoir comment ils reçoivent l’énergie pour sauter, mais pourquoi. Quand quelqu’un regarde le spectre d’émission d’un élément, nous voyons un spectre de ligne qui prouve qu’ils n’existent pas en dehors de leurs orbitales (sinon nous verrions un spectre continu). Les électrons peuvent être libérés sous forme de désintégration bêta, prouvant ainsi qu’ils sont capables de voyager en dehors des orbitales contrairement à la déclaration de mon professeur disant qu’ils restent dans les orbitales. Ensuite, pour ajouter à la confusion, l’ancien modèle d’anneaux flottant autour d’un noyau est, d’après ce que je peux dire, dépassé, ce qui soutiendrait ce modèle. L’explication de mon professeur était que les électrons ont fait un saut quantique quelconque. Comment les électrons se déplacent-ils entre les orbitales ou savons-nous comment ils sautent, à l’exclusion de la raison pour laquelle l’énergie les fait sauter, et pourquoi les positrons se forment-ils parfois au lieu des électrons dans la désintégration bêta? Quand je demande « comment les électrons sautent », j’aimerais savoir comment un électron peut sauter entre chaque orbite, comme comment il se déplace et comment il sait où sauter car il semble être un saut où l’électron ne ralentit pas dans une position orbitale. Plus précisément, comment ils sautent quelle est cette transition électronique atomique, je comprends qu’ils sautent et qu’ils le font en absorbant et en libérant de l’énergie, mais quelle est cette transition électronique atomique autre que ce qui est déjà sur l’article de wikipedia http: //en.wikipedia. org / wiki / Atomic_electron_transition .

dmckee ♦

« L’ancien modèle d’anneaux flottant autour d’un noyau est, d’après ce que je peux dire, dépassé » Hmmm … oui. Obsolète depuis environ 70 ans. Fondamentalement, votre instructeur peut travailler pour un certain nombre d’idées fausses sur la nature des orbitales électorales. Attention, même dans ce cadre, les électrons de désintégration sont généralement non liés et ne se trouveraient donc pas sur l’un des anneaux en premier lieu.

Richard Terrett

La désintégration bêta est un processus nucléaire (en particulier un processus faible), plutôt que chimique. Cela dit, les transitions orbitales peuvent se produire dans la désintégration bêta inverse (c’est-à-dire la capture d’électrons), mais ce n’est qu’un effet secondaire de la génération d’une orbite centrale inoccupée.

dmckee ♦

@RichardTerrett L’autre chose à propos de la désintégration bêta inverse qui est intéressante ici est que son taux est aussi élevé que parce que les orbitales s ont une probabilité non nulle à r = 0

r = 0

, mais cela commence à nous emmener loin.


Bored915

désolé pour le type de miss dans ma prime au début je suis triste « comment » quand je veux dire * « je veux » et je dis « il semble y avoir un mouvement linéaire » quand je veux dire « il ne semble pas y avoir de mouvement linéaire »

Réponses


 DarenW

Imaginez un électron à une grande distance d’un atome, avec rien d’autre autour. L’électron ne « connaît » pas l’atome. Nous déclarons qu’il a zéro énergie. Il ne se passe rien d’intéressant. Ceci est notre point de référence.

Si l’électron se déplace, mais toujours loin de l’atome, il a de l’énergie cinétique. C’est toujours positif. L’électron, qui n’interagit toujours pas avec l’atome, peut se déplacer à sa guise. Il a une énergie positive et en toute quantité possible. Sa fonction d’onde est une simple onde plane courante, ou une combinaison linéaire d’entre elles pour former, par exemple, une onde sphérique. Sa longueur d’onde, liée à l’énergie cinétique, peut être de n’importe quelle valeur.

Lorsque l’électron est proche de l’atome, des charges opposées s’attirent et l’on dit que l’électron est coincé dans un puits de potentiel. Il se déplace, a donc une énergie cinétique positive (toujours), mais l’énergie potentielle de Coulomb est négative et en plus grande quantité. L’électron doit ralentir s’il s’éloigne de l’atome, pour maintenir une énergie totale constante pour le système. Il atteint une vitesse nulle (énergie cinétique nulle) à une distance finie, bien que la mécanique quantique permette un peu de tricherie avec une fonction d’onde décroissante de façon exponentielle au-delà de cette distance.

L’électron est confiné dans un petit espace, une région sphérique autour du noyau. Cela étant, la longueur d’onde de sa fonction d’onde doit dans un sens «s’adapter» à cet espace – exactement un, ou deux, ou trois, ou n, nœuds doivent s’adapter radialement et circonférentiellement. Nous utilisons le nombre quantique familier n, l, m. Il existe des niveaux d’énergie discrets et des fonctions d’onde distinctes pour chaque état quantique.

Notez que l’électron à énergie positive libre a tout l’espace pour se déplacer, et n’a donc pas besoin d’adapter un nombre particulier de longueurs d’onde à quoi que ce soit, donc a un spectre continu de niveaux d’énergie et trois nombres réels (le vecteur d’onde) pour décrire son état.

Lorsque l’atome absorbe un photon, l’électron saute, disons par exemple du 2s à l’orbitale 3p, l’électron n’est dans aucune orbite pendant ce temps. Sa fonction d’onde peut être écrite comme un mélange variant dans le temps des orbitales normales. Bien avant l’absorption, qui pour un atome est de quelques femtosecondes environ, ce mélange représente 100% de l’état 2s, et quelques femtosecondes environ après l’absorption, c’est 100% l’état 3p. Entre, pendant le processus d’absorption, c’est un mélange de nombreuses orbitales avec des coefficients qui changent énormément. Il y avait un article dans Physical Review A vers 1980 ou 1981, iirc, qui montre quelques intrigues et photos et qui est entré dans les détails. C’était peut-être des revues de physique moderne. Quoi qu’il en soit, gardez à l’esprit que ce mélange n’est qu’une description mathématique. Ce que nous avons vraiment, c’est une fonction d’onde passant d’un 2s stable à un wobblemess follement boosting, s’installant à un 3p stable.

Un photon plus énergétique peut expulser l’électron de l’atome, de l’un de ses états orbitaux à énergie négative à état discret, à un état positif libre – généralement une onde sphérique en expansion – c’est la même chose qu’avant, mais au lieu de s’installer un 3p stable, la fonction d’onde électronique se termine comme une coquille sphérique en expansion.

J’aimerais pouvoir montrer quelques photos, mais cela prendrait du temps à trouver ou à faire …

mage brillant

« L’électron doit ralentir s’il s’éloigne de l’atome, pour maintenir une énergie totale constante pour le système. Il atteint une vitesse nulle (énergie cinétique nulle) à une distance finie » 1) S’il s’arrête, il devrait s’écraser contre le noyau, non? 2) L’énergie potentielle «n’existe pas vraiment pour le moment, c’est pourquoi elle est potentielle – elle est dans le futur. C’est un potentiel de mouvement fixé à une sphère donnée autour de la source d’attraction, et donc toujours là, donc un électron arrivant de l’infini ne peut pas le remplacer par sa propre énergie cinétique, nouvelle dans le système – ajoutée au potentiel.


 Kyle Oman

Jusqu’à présent, les réponses semblent plutôt bonnes, mais j’aimerais essayer un angle légèrement différent.

Avant d’arriver aux orbitales atomiques, qu’est-ce que cela signifie pour un électron d’être « quelque part »? Supposons que je regarde un électron et que je vois où il se trouve (supposons que j’ai un microscope très sophistiqué / sensible / précis). Cela semble simple, mais qu’est-ce que j’ai fait quand j’ai «regardé» l’électron? J’ai dû observer un photon qui venait d’interagir avec cet électron. Si je veux me faire une idée du mouvement de l’électron (pas seulement son élan instantané, mais sa position en fonction du temps), je dois l’observer pendant un certain temps. C’est un problème, car je ne peux observer l’électron qu’à chaque fois qu’il interagit avec un photon que je peux observer. Il m’est en fait impossible d’observer l’électron en continu, je ne peux obtenir que des instantanés de sa position.

Alors, que fait l’électron entre les observations? Je ne pense pas que quiconque puisse répondre à cette question. Tout ce que nous pouvons dire, c’est qu’à un moment donné, l’électron a été observé au point A, et plus tard, il a été observé au point B. Il est passé de A à B … d’une manière ou d’une autre. Cela conduit à une façon différente de penser où se trouve un électron (ou une autre particule).

Si je connais certaines des propriétés de l’électron, je peux prédire que je suis plus susceptible d’observer un électron à certains endroits qu’à d’autres. Les orbitales atomiques en sont un excellent exemple. Une orbitale est décrite par 4 nombres quantiques, que j’appellerai

n

,

l

,

m

,

s

(il y a plusieurs notations; je pense que celle-ci est assez courante).

n

est une description de la quantité d’énergie de l’électron,

l

décrit son moment angulaire total,

m

porte quelques informations sur l’orientation de son élan angulaire et

s

caractérise son spin (le spin est un sujet à part entière, pour l’instant disons simplement que c’est une propriété de l’électron). Si je connais ces 4 propriétés d’un électron qui est lié à un atome, alors je peux prédire où je suis le plus susceptible d’observer l’électron. Pour certaines combinaisons de

( n , l , m , s )

la distribution est simple (par exemple sphérique symétrique), mais souvent elle peut être assez compliquée (avec des lobes ou des anneaux où je suis plus susceptible de trouver l’électron). Il y a toujours une chance que je puisse observer l’électron PARTOUT, mais c’est BEAUCOUP PLUS PROBABLE que je le trouve dans une région particulière. Ceci est généralement appelé la distribution de probabilité pour la position de l’électron. Des illustrations comme cellesci sont trompeuses car elles dessinent un bord dur sur la distribution de probabilité; ce qui est réellement montré est la région où l’électron sera trouvé un pourcentage élevé du temps.

Ainsi, la réponse à la façon dont un électron « saute » entre les orbitales est en fait la même que la façon dont il se déplace dans une seule orbitale; ça « fait ». La différence est que pour changer les orbitales, certaines propriétés de l’électron (l’une de celles décrites par

( n , l , m , s )

) doit changer. Cela s’accompagne toujours de l’émission ou de l’absorption d’un photon (même un retournement de spin implique un photon (très basse énergie)).

Une autre façon de penser à ce sujet est que l’électron n’a pas de position précise mais occupe plutôt tout l’espace, et les observations de la position de l’électron ne sont que des manifestations de la « fonction d’onde » plus fondamentale dont les propriétés dictent, entre autres, la probabilité distribution des observations de position.

Bored915

Je pense que je vais vous récompenser avec la prime et l’une des autres réponses en tant que réponse, car vous en avez couvert la plupart avant vous, bien que vous ayez répondu à la question d’origine qui était la question de la prime. Ensuite, pour ajouter à cela, vous avez compris exactement ce que j’essayais de comprendre et j’ai échoué à traduire comme ma principale question.

Kyle Oman

Heureux d’avoir pu aider. Je suis d’accord que les autres réponses couvrent bien une partie de la description formelle de la question dans le cadre de la QM, mais à moins que vous ne connaissiez la QM (sur la base de ce que vous semblez couvrir en classe, je suppose que vous avez tout au plus une intro) il peut être un peu difficile de suivre tous les détails.

Bored915

J’ai terminé la physique de première année et je prends la physique de l’IB maintenant, et la science est ma passion, j’ai donc essayé d’apprendre à l’avance avec la devise la plus ennuyeuse de la science, plus elle est amusante.

Kyle Oman

Ah l’IB … Je me souviens de ce cours de physique. Seule la version SL était offerte dans mon école quand je l’ai prise. Je me souviens avoir lu toutes les unités optionnelles que je ne pouvais pas prendre. Bonne chance avec vos études 🙂

Bored915

Merci j’ai eu des examens cette semaine (pas de f s’il vous plaît, croisez les doigts)


 Suzan Cioc

Bien sûr, les électrons PEUVENT voyager entre les orbitales, bien qu’ils le fassent de manière non conventionnelle (classique).

La question du déplacement des électrons entre les orbitales est le sujet ou la mécanique quantique relativiste, ou comme on l’appelle d’une autre manière, de la théorie des champs quantiques ou de l’électrodynamique quantique.

Par des mots, je peux décrire la situation de la manière suivante.

Les orbitales ne sont pas des LIEUX, ce sont des ÉTATS EIGENS d’opérateur énergétique. L’électron peut exister dans n’importe quel état, mais cet état est représentable par superposition d’états propres.

Ainsi, un électron voyageant de l’orbitale

ψ 1

à l’orbitale

ψ 2

est décrit par l’état

une ψ 1 + b ψ 2

une

et

b

sont des poids complexes des composants de la superposition. Ils changent au fil du temps, ayant

une = 1 ; b = 0

au début du processus et

une = 0 ; b = 1

.

Vous savez aussi que

| une | 2 + | b | 2 = 1

à tout instant.

La loi de ce changement est exponentielle, c’est-à-dire

une ( t ) e λ t

.

Les paramètres de cet exposant dépendent de la durée de vie de l’état. La durée de vie plus courte, la pente plus exposant. La durée de vie est également liée à l’incertitude de l’état. Plus l’État est large, plus sa durée de vie est courte.


 Anna v

Ici, je vais aborder certaines idées fausses dans la question, non traitées par la réponse de DarenW.

Ma question n’est pas de savoir comment ils reçoivent l’énergie pour sauter, mais pourquoi. Quand quelqu’un regarde le spectre d’émission d’un élément, nous voyons un spectre de ligne qui prouve qu’ils n’existent pas en dehors de leurs orbitales (sinon nous verrions un spectre continu).

Ces spectres d’ émission et d’absorption

continuum

continuum

émission

Spectre d’émission

absorption

absorption

Proviennent des orbitales atomiques, comme expliqué dans la réponse de DarenW. Autrement dit, le noyau avec sa charge positive, disons l’hélium avec la charge +2, a autour de lui deux électrons « en orbite » autorisés par les solutions du problème de mécanique quantique « orbites ». Où « orbites » signifie un emplacement spatial dans un espace tridimensionnel où la probabilité de trouver des électrons est élevée, de forme sphérique autour du noyau avec des nombres quantiques très spécifiques.

Les électrons peuvent être libérés sous forme de désintégration bêta, prouvant ainsi qu’ils sont capables de voyager en dehors des orbitales contrairement à la déclaration de mon professeur disant qu’ils restent dans les orbitales. T

C’est une idée fausse. Les désintégrations bêta se produisent lorsqu’un neutron se transforme en proton et en électron, et ce sont des phénomènes liés au noyau, pas à l’atome. L’atome est bien décrit par les interactions électromagnétiques, le noyau est décrit par les interactions fortes et les interactions faibles. Les désintégrations bêta sont une interaction faible. Ainsi, l’électron de la désintégration bêta est un électron libre une fois qu’il se matérialise et est éjecté du noyau, en particulier si tous les emplacements orbitaux des électrons libres sont remplis. Le noyau se transforme alors en un noyau isotopique de charge Z + 1.

Voici comment la désintégration des neutrons est actuellement visualisée

désintégration bêta

Comment les électrons se déplacent-ils entre les orbitales, à l’exclusion de l’énergie ajoutée pour exciter les électrons,

Vous devez ajouter de l’énergie pour exciter les électrons vers des orbitales supérieures, et généralement c’est avec le coup de pied d’un photon de l’énergie de l’écart entre les orbitales.

et pourquoi les positrons se forment-ils parfois au lieu des électrons dans la désintégration bêta?

De Wikipédia sur la capture d’électrons

Dans tous les cas où la désintégration β + est autorisée énergétiquement, le processus de capture d’électrons, lorsqu’un électron atomique est capturé par un noyau avec l’émission d’un neutrino, est également autorisé.

Cela signifie qu’un proton dans le noyau se transforme en neutron, en positron et en neutrino. Cela abaisse le Z nucléaire d’une unité, et induira une cascade d’électrons orbitaux supérieurs tombant dans le trou laissé par celui capturé.


 Steve

Les électrons ne sont pas des particules tels qu’ils existent dans l’atome. Je crois que l’onde de l’électron est perturbée par quelque chose qui arrive du noyau. Le noyau n’est pas une chose stable, mais ses membres sont en mouvement tout le temps. Disons donc qu’à un moment donné, il y a une excursion ou un événement de l’un des membres ou du champ du noyau. C’est peut-être ce qui fait que l’électron se déplace vers une coquille supérieure. De même, une désintégration atomique se produirait. Pensez à la demi-vie. C’est donc probabliste.

PM 2Ring

Il y a une certaine confusion des concepts dans cette réponse. Du point de vue d’un électron, le noyau est un point stable de masse et de charge constantes: le comportement interne du noyau n’a presque aucun effet sur le comportement des électrons de l’atome, à moins que le noyau ne soit instable. Et même alors, il ne perturbera les électrons que s’il subit un processus de décroissance.

 

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