SlideShare a Scribd company logo
Mechanika kwantowa
Jak opisać atom wodoru?
Jak opisać inne cząsteczki?




                              1
Mechanika kwantowa
    Równanie Schrödingera
                                    ˆ
                                    Hψ = Eψ
                                                                      zasada
                                                                      zachowania
                                                                      energii
     ˆ
     H−    operator różniczkowy Hamiltona
     E−    energia
     ψ−    funkcja falowa

                operator energii kinetyczna                   operator energii potencjalnej


                                    ˆ ˆ ˆ
                                    H =T +V
  h2  d 2 d2 d2                                                   Z ⋅ e2
−     2 + 2 + 2                                                 −
  2m  dx dy dz 
                                                                  4πε 0 r
                                                                      przyciąganie Coulombowskie
     energia kinetyczna elektronu                                     jądro-elektron

          m – masa cząstki                    Z – ładunek jądra          ε0 – stała dielektryczna2próżni
          h – stała Plancka                   E – ładunek elektronu      r – promień
Atom wodoru
Równanie Schrödingera                dla atomu wodoru
                                     Z=1 (1 proton)
 postać
     h 2  ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ    Ze 2
  −       2 + 2 + 2        −
                             r ψ = Eψ
    2πm  ∂x
               ∂y   ∂z     
           energia           przyciąganie
           kinetyczna        Coulombowskie
           elektronu         jądro-elektron




 rozwiązania

    energia E
    funkcja falowa Ψ
                                                        3
Atom wodoru
Równanie Schrödingera
rozwiązania
   energia                      E

                 Z 2 2π 2 me 4
              E=− 2              0
                 n     h2                    n=3
                                                   n=4

                                       n=2



 n = 1,2,3..... –
  główna liczba
    kwantowa                         n=1



                                             r           4
Atom wodoru
       Równanie Schrödingera
        rozwiązania
                                            h
            moment pędu     M = l (l + 1)
                                           2π
                                                l = 0,1,2,3.....n-1
                                            poboczna/orbitalna
                                             liczba kwantowa


            składowa momentu pędu
           wzdłuż kierunku „z” M =
                                        h
                               z     m
                                       2π
                                                 m = -l, ... ,0,…, +l
energia nie jest jedyną                         magnetyczna liczba
kwantowaną wielkością                               kwantowa
fizyczną
                                                                        5
Atom wodoru
Równanie Schrödingera

 rozwiązania           przestrzenne kwantowanie
                        momentu pędu elektronu M w
                        atomie wodoru (l=2)



                    Obliczmy    M dla l=2:
                                  h      h
                         M = 2⋅3    = 6
                                 2π     2π
                    Składowe Mz wynoszą:
                        2h h          h     2h
                          ,   , 0, −    , −
                        2π 2π        2π     2π       6
Atom wodoru
Ostatnia liczba kwantowa

 spin
   nie wynika z r. Schroedingera


    Ruch obrotowy elektronu nosi nazwę spinu. Elektron ma dwa stany
    spinowe, oznaczane strzałkami ↑ i ↓. Możemy sobie wyobrazić, że
     elektron obraca się z pewną prędkością w kierunku wskazówek
    zegara przeciwnym (stan ↓, +1/2) lub z identyczna prędkością w
    kierunku przeciwnym (stan ↑, -1/2). Ponieważ wirujący ładunek
    elektryczny wytwarza pole magnetyczne, elektrony znajdujące się
    w tych dwóch stanach spinowych można rozróżnić na podstawie
     ich zachowania się w polu magnetycznym.




                                                                      7
Atom wodoru
      Liczby kwantowe

określa          wzór               przyjmuje             określa funkcje
wielkość                            wartości              falowe Ψ
fizyczną
energię              1 Z 2 2π 2 me 4 główna:              rozmiar orbitalu
                 E=− 2
                    n       h2       n=1,2,3,…
moment pędu                     h   poboczna:             kształt orbitalu
                 M = l (l + 1)
                               2π   l=0,1,2,…n-1
składową                            magnetyczna:           kierunek orbitalu
                         h
momentu pędu     Mz = m             m=-l, (-l+1),…(l-1), l
                        2π
składową spinu                      magnetyczna           znak orbitalu
                           h        spinowa:
                 σ z = ms
                          2π        ms=-½ lub ½                              8
Atom wodoru
Liczby kwantowe                                          n
   rozwiązania         gęstość prawdopodobieństwa
Ψ 1,0,0     1s    l
Ψ 2,0,0
Ψ 2,1,-1
            2s        l= 0      1      2       3     4
Ψ 2,1,0     2p           s      p      d       f     g
Ψ 2,1,1
Ψ 3,0,0     3s
Ψ 3,1,-1
Ψ 3,1,0     3p
ψ 3,1,1
Ψ 3,2,-2
Ψ 3,2,-1
Ψ 3,2,0     3d
Ψ 3,2,1                                              9
Ψ 3,2,2
Atom wodoru
Równanie Schrödingera
 funkcja falowa
                        Funkcja falowa w interpretacji
     interpretacja       Funkcja falowa w interpretacji
                        Borna. Prawdopodobieństwo
                          Borna. Prawdopodobieństwo
                        znalezienia elektronu w danym
                          znalezienia elektronu w danym
                        punkcie jest proporcjonalne do
                          punkcie jest proporcjonalne do
                        kwadratu funkcji falowej (Ψ2):
                          kwadratu funkcji falowej (Ψ2):
                        prawdopodobieństwo to jest
                          prawdopodobieństwo to jest
                        wyrażone przez stopień
                          wyrażone przez stopień
                        zaczernienia paska u dołu.
                          zaczernienia paska u dołu.
                        Gęstość prawdopodobieństwa
                          Gęstość prawdopodobieństwa
                        w węźle wynosi 0. Węzeł jest
                          w węźle wynosi 0. Węzeł jest
                        punktem, w którym funkcja
                          punktem, w którym funkcja
                        falowa przechodzi przez 0.
                          falowa przechodzi przez 0.




                                                     10
Atom wodoru
Równanie Schrödingera
 funkcja falowa
        interpretacja


   Zgodnie z postulatem Bohrna, prawdopodobieństwo
    znalezienia elektronu w danym punkcie przestrzeni jest
    proporcjonalne do kwadratu funkcji falowej w tym punkcie.
   Tam gdzie funkcja falowa ma dużą ampitudę, istnieje duże
    prawdopodobieństwo znalezienia opisanego przez nią
    elektronu.
       Tam gdzie funkcja falowa jest mała, znalezienie elektronu jest
       mało prawdopodobne. Tam gdzie funkcja falowa jest równa 0,
       znalezienie elektronu jest niemożliwe.
   W mechanice kwantowej można przewidywać tylko
    prawdopodobieństwo znalezienia cząsteczki w danym
    miejscu.
                                                                        11
Atom wodoru
Równanie Schrödingera
 funkcja falowa
      interpretacja




  Funkcja falowa elektronu w atomie ma tak istotne
  znaczenie, iż nadano jej specjalną nazwę – orbital
  atomowy. Orbital można poglądowo przedstawić
  jako chmurę otaczająca jądro atomu; gęstość
  chmury reprezentuje prawdopodobieństwo
  znalezienia elektronu w każdym punkcie.




                                                   12
Atom wodoru
Liczby kwantowe                                           n
   rozwiązania         gęstość prawdopodobieństwa
Ψ 1,0,0     1s    l
Ψ 2,0,0
Ψ 2,1,-1
            2s        l= 0      1      2       3      4
Ψ 2,1,0     2p           s      p      d       f      g
Ψ 2,1,1
Ψ 3,0,0     3s
Ψ 3,1,-1
Ψ 3,1,0     3p
ψ 3,1,1
Ψ 3,2,-2
Ψ 3,2,-1
Ψ 3,2,0     3d
Ψ 3,2,1                                              13
Ψ 3,2,2
Atom wodoru
    Równanie Schrödingera
    rozwiązania
       funkcja falowa
                                                      y


                                                              ϕ
                                                                  r
   ψ n ,l , m = R ( r ) ⋅ φ ( ϕ ) ⋅ θ ( γ )               γ           y

                                                  x


część radialna
                                          część kątowa

                                                                      14
Atom wodoru
Równanie Schrödingera
 rozwiązania
    funkcja falowa      ψ n ,l , m = R ( r ) ⋅ φ ( ϕ ) ⋅ θ ( γ )
      n   l   m   symbol Ψn,l,m
                                   3

      1   0   0   1s          1  2 − a0
                                                   r

                            2  e
                             a 
                              0
      2   0   0   2s
                                    3
                                                             1 r
                           1 1        r  − 2 a0
                                      2


                             3
                                  2 − e
                                         
                           2 2  a 0   a0 
      2   1   0   2pz
                                               3
                                                             1 r
                              1  1   2 r  − 2 a0
                                         2

                                       e cosγ
                                      
                           4( 6) 2  a0   a0 
                                 1



                                       3
                                                       1 r
      2   1   ±1 2px         1  1   2 r  − 2 a0
                                      2

                                     e sinγ sinϕ                       h2
                               2  a   a 
                          4( 6)  0   0 
                               1
                                                                   a0 =
                  2py                      3
                                                        1 r             4π 2 me e 2
                              1  1   2 r  − 2 a0
                                         2

                                       e sinγ cosϕ
                                      
                           4( 6) 2  a0   a0 
                                 1
                                                                             15
Atom wodoru
Równanie Schrödingera
 rozwiązania
    funkcja falowa
      gęstość prawdopodobieństwa

                ψ n ,l ,m = [ R( r )φ ( ϕ )θ ( γ ) ]
                   2                                   2




                                                           1s
       P=Ψ2dV




                            odległość od jądra, r
                                                            16
Atom wodoru
Równanie Schrödingera
 rozwiązania
    funkcja falowa
      gęstość prawdopodobieństwa




                                    17
Atom wodoru
Równanie Schrödingera
 rozwiązania
    funkcja falowa
                                                                                     sumujemy/
      gęstość prawdopodobieństwa                                                    całkujemy
          rozkład radialny                                                          Ψ2 po γ i ϕ

            ψ n ,l ,m = R( r ) ⋅ [φ ( ϕ )θ ( γ ) ]
              2           2                                                      2

                                    4πr2R(r)2dr

                             rozkład radialny gęstości
     1s




                                                                 a0
                                                         odległość od jądra, r
                                                                                                   18
Atom wodoru
Równanie Schrödingera
 rozwiązania
    funkcja falowa
      gęstość prawdopodobieństwa
       rozkład radialny




                                    19
Atom wodoru
        Równanie Schrödingera
         rozwiązania                            orbitale
            funkcja falowa
               składowa radialna

4πr2|R(r)|2                  4πr2|R(r)|2
        2s        2-0=2              4s         4-0=4




         4p        4-1=3                   3d   3-2=1



                                                            20
Atom wodoru
Wizualizacja orbitali                     Ψ 1,0,0   1s
07_105                            Nodes
                      Node                Ψ 2,0,0   2s

                                          Ψ 3,0,0   3s

           1s
                 2s
         (a)                 3s



                                           P=90%



           1s
                 2s
         (b)                 3s

                                                         21
Atom wodoru
Wizualizacja orbitali
                              Ψ 2,1,-1
                              Ψ 2,1,0          2p
                              Ψ 2,1,1
        z               z                z



                y              y                    y



x                   x              x
       2px              2py              2pz



                                                        22
Atom wodoru
Wizualizacja orbitali
                        3pz




                              07_107
                                       23
Atom wodoru
Wizualizacja orbitali                                Ψ 3,2,-2
 07_108B   z                    z                  z Ψ 3,2,-1
                                                     Ψ 3,2,0     3d
                 y                  y                Ψ 3,2,1y
                                                     Ψ 3,2,2

                 x                  x                       x

           dxz              dyz                dxy
                     z                  z

                            y                  y



                            x                  x
                                                                24
(b)              dx2 - y2               d z2
Atom wodoru
                    Wizualizacja orbitali
    07_109
                        z                             z                             z                          Ψ 4,3,-3
                                                                                                               Ψ 4,3,-2
                                                                                                               Ψ 4,3,-1    4f
                                     x                              x                              x           Ψ 4,3,0
                                                                                                               Ψ 4,3,1
              y                           y                                 y                                  Ψ 4,3,2
                    fz3 - 3 zr
                         5
                                 2                 fx 3 - 3 xr 2
                                                          5
                                                                                 fy 3 - 3 yr 2
                                                                                        5
                                                                                                               Ψ 4,3,3

              z                          z                              z                           z



                         x                            x                            x                           x


y                            y                            y                             y
             fxyz                    fy(x2 - z2)                   fx(z2 - y2)                   fz(x2 - y2)

                                                                                                                          25
Atom wodoru
Widmo doświadczalne




                         26
Atom wodoru
   Interpretacja widma
  Oblicz długość fali fotonu emitowanego przez atom wodoru w
  wyniku przejścia elektronu z poziomu n = 3 na poziom n = 2.
  Zidentyfikuj na rysunku (widmo wodoru) linię spektralną
  odpowiadającą temu przejściu.


   Zmiana energii elektronu w czasie przejścia ze stanu nj do stanu ni (j>i)

                   2π 2 me 4  2π 2 me 4  2π 2 me 4  1
                                                          1 
∆E = En j − Eni = − 2 2 −  − 2 2  =
                              hn                       − 2
                    h nj            i      h 2  ni 2 n j 
                                                            
                2π 2 me 4  1 1                    1 1
 ∆E = E3 − E2 =             − 2  = 2.179 ⋅10 −18  2 − 2  = 3.026 ⋅10 −19 J
                  h 2  22 3                      2 3 
    h = 6.626 ⋅10 −34 J ⋅ s
    m = 9.109 ⋅10 −31 kg
                                                                                 27
    e = 1.602 ⋅10 −19 C
Atom wodoru
     Interpretacja widma
          c     1
E = hν = h = hc
          λ     λ

   hc 6.626 ⋅10 −34 J ⋅ s × 3.00 ⋅108 m / s
λ=   =                                      = 6.57 ⋅10 −7 m
   E           3.026 ⋅10 −19 J
 = 657 nm

h = 6.626 ⋅10 −34 J ⋅ s
c = 3.00 ⋅108 m / s



                                                         28
Atomy wieloelektronowe




 przewidywania teorii kwantów




                                29
Atom wodoru
Przykład 1 Identyfikacja linii w widmie wodoru


          różnica energii między dwoma stanami:
            ∆E = (1/22 – 1/32) ⋅ h ⋅ (3.29⋅1015 Hz)


           częstość emitowanego światła wynosi:
           ν = ∆E/h = (1/22 – 1/32)⋅(3.29⋅1015 Hz)



           długość fali promieniowania jest równa:
     λ= c/ν = (3,00⋅108 m/s)/(1/22 – 1/32)⋅(3.29⋅1015 Hz)
                        λ = 6.57⋅10-7 m

                                                            30
Atom wodoru
Przykład 1 Identyfikacja linii w widmie wodoru




                                                 31
32
Widmo doświadczalne



                      Na




                       H




                      Ca




                      Hg




                      Ne


                      33
Kot Schroedingera




                    34
   Jon berylu w pułapce
    W ostatnim "Nature" teoretyczne prace o dekoherencji zostały potwierdzone we
    wspaniałym eksperymencie. Zespół Davida Winelanda z National Institute of
    Standards and Technology w Boulder w USA złapał w pułapkę magnetyczną jon
    berylu. Manipulacjami promieni laserowych fizycy sprawili, by jon znalazł się w takim
    kwantowym stanie, iż był jednocześnie w dwóch różnych miejscach (oddalonych o
    kilkadziesiąt nanometrów). Potem uczeni starali się zakłócić jego "podwójny" stan i
    wyprowadzić go z tej "schizofrenii". By tego dokonać, symulowali różne wpływy
    otoczenia. W końcu udało im się. Następowała dekoherencja - tzn. jon odnajdywał się
    tylko w jednym miejscu. Co więcej, fizycy potwierdzili teoretyczne wyliczenia, że
    dekoherencja następuje tym szybciej, im bardziej pozycje jonu były od siebie
    oddalone. Słowem, szybkość dekoherencji zależy od rozmiaru obiektu. Dla
    ogromnego (w porównaniu ze skalą atomową) kota kwantowe "być albo nie być"
    rozstrzyga się niemal natychmiastowo. Kot w pudełku staje się albo martwy, albo
    żywy. Nie ma szans tkwić tam w "dwuznacznej" sytuacji.




                                                                                      35
   Być może, jak na razie cieszą się entuzjaści
    możliwości podróży w czasie. Istnienie
    wszechświatów równoległych rozwiązuje
    paradoks dziadka: podróżnik cofa się do
    przeszłości i zabija swojego dziadka, zanim ten
    począł jego ojca - mamy problem: jak
    podróżujący może w ogóle istnieć skoro jego
    ojciec się nie narodzi? Odpowiedź: cofając się w
    czasie, przenosi się do równoległego
    wszechświata, w którym się nie narodzi.


                                                   36

More Related Content

What's hot

Metal ion in medicine
Metal ion in medicineMetal ion in medicine
Metal ion in medicine
Anzar Sk
 
Canonical Partition Function Parameters.ppt
Canonical Partition Function Parameters.pptCanonical Partition Function Parameters.ppt
Canonical Partition Function Parameters.ppt
HimanshuKumar322439
 
Reaction mechanism in complex compounds
Reaction mechanism in complex compoundsReaction mechanism in complex compounds
Reaction mechanism in complex compounds
SPCGC AJMER
 
Chemisrty:Nuclear chemistry
Chemisrty:Nuclear chemistryChemisrty:Nuclear chemistry
Chemisrty:Nuclear chemistry
St Mary's College,Thrissur,Kerala
 
Harmonic oscillator
Harmonic oscillatorHarmonic oscillator
Harmonic oscillator
karangoyal972
 
Quantum Mechanics: Lecture notes
Quantum Mechanics: Lecture notesQuantum Mechanics: Lecture notes
Quantum Mechanics: Lecture notes
polariton
 
Introduction to DFT Part 2
Introduction to DFT Part 2Introduction to DFT Part 2
Introduction to DFT Part 2
Mariana M. Odashima
 
Charge-Transfer-Spectra. metal to metal, metal to ligand
Charge-Transfer-Spectra. metal to metal, metal to ligandCharge-Transfer-Spectra. metal to metal, metal to ligand
Charge-Transfer-Spectra. metal to metal, metal to ligand
NafeesAli12
 
PSE ch 44 Particle Physics and Cosmology.pptx
PSE ch 44  Particle Physics and Cosmology.pptxPSE ch 44  Particle Physics and Cosmology.pptx
PSE ch 44 Particle Physics and Cosmology.pptx
LuisPedreroOjeda1
 
Effective Atomic Number (EAN)
Effective Atomic Number (EAN)Effective Atomic Number (EAN)
Effective Atomic Number (EAN)
ڈاکٹر محمد اسلم عطاری
 
Qendrueshmeria statike dhe dinamike.Rajmonda Buhajloti
Qendrueshmeria statike dhe dinamike.Rajmonda BuhajlotiQendrueshmeria statike dhe dinamike.Rajmonda Buhajloti
Qendrueshmeria statike dhe dinamike.Rajmonda Buhajloti
dritan sadikaj
 
CHAPTER 5 Wave Properties of Matter and Quantum Mechanics I
CHAPTER 5 Wave Properties of Matter and Quantum Mechanics ICHAPTER 5 Wave Properties of Matter and Quantum Mechanics I
CHAPTER 5 Wave Properties of Matter and Quantum Mechanics I
Thepsatri Rajabhat University
 
Quantum chemistry-B SC III-SEM-VI
 Quantum chemistry-B SC III-SEM-VI Quantum chemistry-B SC III-SEM-VI
Quantum chemistry-B SC III-SEM-VI
Shri Shivaji Science College Amravati
 
IB Chemistry on Crystal Field Theory and Splitting of 3d orbital
IB Chemistry on Crystal Field Theory and Splitting of 3d orbitalIB Chemistry on Crystal Field Theory and Splitting of 3d orbital
IB Chemistry on Crystal Field Theory and Splitting of 3d orbital
Lawrence kok
 
Density functional theory (DFT) and the concepts of the augmented-plane-wave ...
Density functional theory (DFT) and the concepts of the augmented-plane-wave ...Density functional theory (DFT) and the concepts of the augmented-plane-wave ...
Density functional theory (DFT) and the concepts of the augmented-plane-wave ...
ABDERRAHMANE REGGAD
 
Metal Carbonyls
Metal CarbonylsMetal Carbonyls
Metal Carbonyls
SPCGC AJMER
 
Hidden Symmetries and Their Consequences in the Hubbard Model of t2g Electrons
Hidden Symmetries and Their Consequences in the Hubbard Model of t2g ElectronsHidden Symmetries and Their Consequences in the Hubbard Model of t2g Electrons
Hidden Symmetries and Their Consequences in the Hubbard Model of t2g Electrons
ABDERRAHMANE REGGAD
 
IB Chemistry on Standard Reduction Potential, Standard Hydrogen Electrode and...
IB Chemistry on Standard Reduction Potential, Standard Hydrogen Electrode and...IB Chemistry on Standard Reduction Potential, Standard Hydrogen Electrode and...
IB Chemistry on Standard Reduction Potential, Standard Hydrogen Electrode and...
Lawrence kok
 
Quantum Chemistry
Quantum ChemistryQuantum Chemistry
Quantum Chemistry
Dr. Nandkishor Telkapalliwar
 
IB Chemistry on Mole Concept
IB Chemistry on Mole ConceptIB Chemistry on Mole Concept
IB Chemistry on Mole Concept
Lawrence kok
 

What's hot (20)

Metal ion in medicine
Metal ion in medicineMetal ion in medicine
Metal ion in medicine
 
Canonical Partition Function Parameters.ppt
Canonical Partition Function Parameters.pptCanonical Partition Function Parameters.ppt
Canonical Partition Function Parameters.ppt
 
Reaction mechanism in complex compounds
Reaction mechanism in complex compoundsReaction mechanism in complex compounds
Reaction mechanism in complex compounds
 
Chemisrty:Nuclear chemistry
Chemisrty:Nuclear chemistryChemisrty:Nuclear chemistry
Chemisrty:Nuclear chemistry
 
Harmonic oscillator
Harmonic oscillatorHarmonic oscillator
Harmonic oscillator
 
Quantum Mechanics: Lecture notes
Quantum Mechanics: Lecture notesQuantum Mechanics: Lecture notes
Quantum Mechanics: Lecture notes
 
Introduction to DFT Part 2
Introduction to DFT Part 2Introduction to DFT Part 2
Introduction to DFT Part 2
 
Charge-Transfer-Spectra. metal to metal, metal to ligand
Charge-Transfer-Spectra. metal to metal, metal to ligandCharge-Transfer-Spectra. metal to metal, metal to ligand
Charge-Transfer-Spectra. metal to metal, metal to ligand
 
PSE ch 44 Particle Physics and Cosmology.pptx
PSE ch 44  Particle Physics and Cosmology.pptxPSE ch 44  Particle Physics and Cosmology.pptx
PSE ch 44 Particle Physics and Cosmology.pptx
 
Effective Atomic Number (EAN)
Effective Atomic Number (EAN)Effective Atomic Number (EAN)
Effective Atomic Number (EAN)
 
Qendrueshmeria statike dhe dinamike.Rajmonda Buhajloti
Qendrueshmeria statike dhe dinamike.Rajmonda BuhajlotiQendrueshmeria statike dhe dinamike.Rajmonda Buhajloti
Qendrueshmeria statike dhe dinamike.Rajmonda Buhajloti
 
CHAPTER 5 Wave Properties of Matter and Quantum Mechanics I
CHAPTER 5 Wave Properties of Matter and Quantum Mechanics ICHAPTER 5 Wave Properties of Matter and Quantum Mechanics I
CHAPTER 5 Wave Properties of Matter and Quantum Mechanics I
 
Quantum chemistry-B SC III-SEM-VI
 Quantum chemistry-B SC III-SEM-VI Quantum chemistry-B SC III-SEM-VI
Quantum chemistry-B SC III-SEM-VI
 
IB Chemistry on Crystal Field Theory and Splitting of 3d orbital
IB Chemistry on Crystal Field Theory and Splitting of 3d orbitalIB Chemistry on Crystal Field Theory and Splitting of 3d orbital
IB Chemistry on Crystal Field Theory and Splitting of 3d orbital
 
Density functional theory (DFT) and the concepts of the augmented-plane-wave ...
Density functional theory (DFT) and the concepts of the augmented-plane-wave ...Density functional theory (DFT) and the concepts of the augmented-plane-wave ...
Density functional theory (DFT) and the concepts of the augmented-plane-wave ...
 
Metal Carbonyls
Metal CarbonylsMetal Carbonyls
Metal Carbonyls
 
Hidden Symmetries and Their Consequences in the Hubbard Model of t2g Electrons
Hidden Symmetries and Their Consequences in the Hubbard Model of t2g ElectronsHidden Symmetries and Their Consequences in the Hubbard Model of t2g Electrons
Hidden Symmetries and Their Consequences in the Hubbard Model of t2g Electrons
 
IB Chemistry on Standard Reduction Potential, Standard Hydrogen Electrode and...
IB Chemistry on Standard Reduction Potential, Standard Hydrogen Electrode and...IB Chemistry on Standard Reduction Potential, Standard Hydrogen Electrode and...
IB Chemistry on Standard Reduction Potential, Standard Hydrogen Electrode and...
 
Quantum Chemistry
Quantum ChemistryQuantum Chemistry
Quantum Chemistry
 
IB Chemistry on Mole Concept
IB Chemistry on Mole ConceptIB Chemistry on Mole Concept
IB Chemistry on Mole Concept
 

More from lojewska

Wykład 22 Związki kompleksowe
Wykład 22 Związki kompleksoweWykład 22 Związki kompleksowe
Wykład 22 Związki kompleksowelojewska
 
Wyklad 21 Chemia nieorganiczna 2
Wyklad 21 Chemia nieorganiczna 2Wyklad 21 Chemia nieorganiczna 2
Wyklad 21 Chemia nieorganiczna 2lojewska
 
Wykład 20 Chemia nieorganiczna 1
Wykład 20 Chemia nieorganiczna 1Wykład 20 Chemia nieorganiczna 1
Wykład 20 Chemia nieorganiczna 1lojewska
 
Wykład 19 Inne koncepcje wiązań chemicznych
Wykład 19 Inne koncepcje wiązań chemicznychWykład 19 Inne koncepcje wiązań chemicznych
Wykład 19 Inne koncepcje wiązań chemicznychlojewska
 
Wykład 18 Czasteczki wieloatomowe - hybrydyzacja
Wykład 18 Czasteczki wieloatomowe - hybrydyzacjaWykład 18 Czasteczki wieloatomowe - hybrydyzacja
Wykład 18 Czasteczki wieloatomowe - hybrydyzacjalojewska
 
Wykład 17 Cząsteczki - orbitale
Wykład 17 Cząsteczki - orbitaleWykład 17 Cząsteczki - orbitale
Wykład 17 Cząsteczki - orbitalelojewska
 
Wykład 16 Układ okresowy - przewidywania teorii kwantów
Wykład 16 Układ okresowy - przewidywania teorii kwantówWykład 16 Układ okresowy - przewidywania teorii kwantów
Wykład 16 Układ okresowy - przewidywania teorii kwantówlojewska
 
Wykład 13 Kinetyka - kataliza
Wykład 13 Kinetyka - katalizaWykład 13 Kinetyka - kataliza
Wykład 13 Kinetyka - katalizalojewska
 
Wykład 12 Elektrochemia - jak pozyskać energię z reakcji redoksowych?
Wykład 12 Elektrochemia - jak pozyskać energię z reakcji redoksowych?Wykład 12 Elektrochemia - jak pozyskać energię z reakcji redoksowych?
Wykład 12 Elektrochemia - jak pozyskać energię z reakcji redoksowych?lojewska
 
Wyklad 11 Równowagi - obliczenia
Wyklad 11 Równowagi - obliczeniaWyklad 11 Równowagi - obliczenia
Wyklad 11 Równowagi - obliczenialojewska
 
Wykład 10 Równowagi w roztworach elektrolitów
Wykład 10 Równowagi w roztworach elektrolitówWykład 10 Równowagi w roztworach elektrolitów
Wykład 10 Równowagi w roztworach elektrolitówlojewska
 
Wykład 9 Równowaga chemiczna
Wykład 9 Równowaga chemicznaWykład 9 Równowaga chemiczna
Wykład 9 Równowaga chemicznalojewska
 
Wykład 8 Układy i fazy
Wykład 8 Układy i fazyWykład 8 Układy i fazy
Wykład 8 Układy i fazylojewska
 
Wykład 7 Termodynamika
Wykład 7 TermodynamikaWykład 7 Termodynamika
Wykład 7 Termodynamikalojewska
 
Wykład 6 Termochemia - I zasada termodynamiki i jej konsekwencje
Wykład 6 Termochemia - I zasada termodynamiki i jej konsekwencjeWykład 6 Termochemia - I zasada termodynamiki i jej konsekwencje
Wykład 6 Termochemia - I zasada termodynamiki i jej konsekwencjelojewska
 
Wykład 5 Gazy & równania stanu
Wykład 5 Gazy & równania stanuWykład 5 Gazy & równania stanu
Wykład 5 Gazy & równania stanulojewska
 
Wyklad 4 Stechiometria roztwory
Wyklad 4 Stechiometria roztworyWyklad 4 Stechiometria roztwory
Wyklad 4 Stechiometria roztworylojewska
 
Wykład 3 Stechiometria podstawy
Wykład 3 Stechiometria podstawyWykład 3 Stechiometria podstawy
Wykład 3 Stechiometria podstawylojewska
 
Wykład 2 Stechiometria & pomiary w chemii
Wykład 2 Stechiometria & pomiary w chemiiWykład 2 Stechiometria & pomiary w chemii
Wykład 2 Stechiometria & pomiary w chemiilojewska
 
Wykład 1 Chemia jako nauka & metodyka badań
Wykład 1 Chemia jako nauka & metodyka badańWykład 1 Chemia jako nauka & metodyka badań
Wykład 1 Chemia jako nauka & metodyka badańlojewska
 

More from lojewska (20)

Wykład 22 Związki kompleksowe
Wykład 22 Związki kompleksoweWykład 22 Związki kompleksowe
Wykład 22 Związki kompleksowe
 
Wyklad 21 Chemia nieorganiczna 2
Wyklad 21 Chemia nieorganiczna 2Wyklad 21 Chemia nieorganiczna 2
Wyklad 21 Chemia nieorganiczna 2
 
Wykład 20 Chemia nieorganiczna 1
Wykład 20 Chemia nieorganiczna 1Wykład 20 Chemia nieorganiczna 1
Wykład 20 Chemia nieorganiczna 1
 
Wykład 19 Inne koncepcje wiązań chemicznych
Wykład 19 Inne koncepcje wiązań chemicznychWykład 19 Inne koncepcje wiązań chemicznych
Wykład 19 Inne koncepcje wiązań chemicznych
 
Wykład 18 Czasteczki wieloatomowe - hybrydyzacja
Wykład 18 Czasteczki wieloatomowe - hybrydyzacjaWykład 18 Czasteczki wieloatomowe - hybrydyzacja
Wykład 18 Czasteczki wieloatomowe - hybrydyzacja
 
Wykład 17 Cząsteczki - orbitale
Wykład 17 Cząsteczki - orbitaleWykład 17 Cząsteczki - orbitale
Wykład 17 Cząsteczki - orbitale
 
Wykład 16 Układ okresowy - przewidywania teorii kwantów
Wykład 16 Układ okresowy - przewidywania teorii kwantówWykład 16 Układ okresowy - przewidywania teorii kwantów
Wykład 16 Układ okresowy - przewidywania teorii kwantów
 
Wykład 13 Kinetyka - kataliza
Wykład 13 Kinetyka - katalizaWykład 13 Kinetyka - kataliza
Wykład 13 Kinetyka - kataliza
 
Wykład 12 Elektrochemia - jak pozyskać energię z reakcji redoksowych?
Wykład 12 Elektrochemia - jak pozyskać energię z reakcji redoksowych?Wykład 12 Elektrochemia - jak pozyskać energię z reakcji redoksowych?
Wykład 12 Elektrochemia - jak pozyskać energię z reakcji redoksowych?
 
Wyklad 11 Równowagi - obliczenia
Wyklad 11 Równowagi - obliczeniaWyklad 11 Równowagi - obliczenia
Wyklad 11 Równowagi - obliczenia
 
Wykład 10 Równowagi w roztworach elektrolitów
Wykład 10 Równowagi w roztworach elektrolitówWykład 10 Równowagi w roztworach elektrolitów
Wykład 10 Równowagi w roztworach elektrolitów
 
Wykład 9 Równowaga chemiczna
Wykład 9 Równowaga chemicznaWykład 9 Równowaga chemiczna
Wykład 9 Równowaga chemiczna
 
Wykład 8 Układy i fazy
Wykład 8 Układy i fazyWykład 8 Układy i fazy
Wykład 8 Układy i fazy
 
Wykład 7 Termodynamika
Wykład 7 TermodynamikaWykład 7 Termodynamika
Wykład 7 Termodynamika
 
Wykład 6 Termochemia - I zasada termodynamiki i jej konsekwencje
Wykład 6 Termochemia - I zasada termodynamiki i jej konsekwencjeWykład 6 Termochemia - I zasada termodynamiki i jej konsekwencje
Wykład 6 Termochemia - I zasada termodynamiki i jej konsekwencje
 
Wykład 5 Gazy & równania stanu
Wykład 5 Gazy & równania stanuWykład 5 Gazy & równania stanu
Wykład 5 Gazy & równania stanu
 
Wyklad 4 Stechiometria roztwory
Wyklad 4 Stechiometria roztworyWyklad 4 Stechiometria roztwory
Wyklad 4 Stechiometria roztwory
 
Wykład 3 Stechiometria podstawy
Wykład 3 Stechiometria podstawyWykład 3 Stechiometria podstawy
Wykład 3 Stechiometria podstawy
 
Wykład 2 Stechiometria & pomiary w chemii
Wykład 2 Stechiometria & pomiary w chemiiWykład 2 Stechiometria & pomiary w chemii
Wykład 2 Stechiometria & pomiary w chemii
 
Wykład 1 Chemia jako nauka & metodyka badań
Wykład 1 Chemia jako nauka & metodyka badańWykład 1 Chemia jako nauka & metodyka badań
Wykład 1 Chemia jako nauka & metodyka badań
 

Wykład 15 Mechanika kwantowa - atom wodoru

  • 1. Mechanika kwantowa Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki? 1
  • 2. Mechanika kwantowa Równanie Schrödingera ˆ Hψ = Eψ zasada zachowania energii ˆ H− operator różniczkowy Hamiltona E− energia ψ− funkcja falowa operator energii kinetyczna operator energii potencjalnej ˆ ˆ ˆ H =T +V h2  d 2 d2 d2  Z ⋅ e2 −  2 + 2 + 2 − 2m  dx dy dz    4πε 0 r przyciąganie Coulombowskie energia kinetyczna elektronu jądro-elektron m – masa cząstki Z – ładunek jądra ε0 – stała dielektryczna2próżni h – stała Plancka E – ładunek elektronu r – promień
  • 3. Atom wodoru Równanie Schrödingera dla atomu wodoru Z=1 (1 proton)  postać h 2  ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ  Ze 2 −  2 + 2 + 2 −  r ψ = Eψ 2πm  ∂x  ∂y ∂z  energia przyciąganie kinetyczna Coulombowskie elektronu jądro-elektron  rozwiązania  energia E  funkcja falowa Ψ 3
  • 4. Atom wodoru Równanie Schrödingera rozwiązania energia E Z 2 2π 2 me 4 E=− 2 0 n h2 n=3 n=4 n=2 n = 1,2,3..... – główna liczba kwantowa n=1 r 4
  • 5. Atom wodoru Równanie Schrödingera  rozwiązania h  moment pędu M = l (l + 1) 2π l = 0,1,2,3.....n-1 poboczna/orbitalna liczba kwantowa  składowa momentu pędu wzdłuż kierunku „z” M = h z m 2π m = -l, ... ,0,…, +l energia nie jest jedyną magnetyczna liczba kwantowaną wielkością kwantowa fizyczną 5
  • 6. Atom wodoru Równanie Schrödingera  rozwiązania przestrzenne kwantowanie momentu pędu elektronu M w atomie wodoru (l=2) Obliczmy M dla l=2: h h M = 2⋅3 = 6 2π 2π Składowe Mz wynoszą: 2h h h 2h , , 0, − , − 2π 2π 2π 2π 6
  • 7. Atom wodoru Ostatnia liczba kwantowa  spin nie wynika z r. Schroedingera Ruch obrotowy elektronu nosi nazwę spinu. Elektron ma dwa stany spinowe, oznaczane strzałkami ↑ i ↓. Możemy sobie wyobrazić, że elektron obraca się z pewną prędkością w kierunku wskazówek zegara przeciwnym (stan ↓, +1/2) lub z identyczna prędkością w kierunku przeciwnym (stan ↑, -1/2). Ponieważ wirujący ładunek elektryczny wytwarza pole magnetyczne, elektrony znajdujące się w tych dwóch stanach spinowych można rozróżnić na podstawie ich zachowania się w polu magnetycznym. 7
  • 8. Atom wodoru Liczby kwantowe określa wzór przyjmuje określa funkcje wielkość wartości falowe Ψ fizyczną energię 1 Z 2 2π 2 me 4 główna: rozmiar orbitalu E=− 2 n h2 n=1,2,3,… moment pędu h poboczna: kształt orbitalu M = l (l + 1) 2π l=0,1,2,…n-1 składową magnetyczna: kierunek orbitalu h momentu pędu Mz = m m=-l, (-l+1),…(l-1), l 2π składową spinu magnetyczna znak orbitalu h spinowa: σ z = ms 2π ms=-½ lub ½ 8
  • 9. Atom wodoru Liczby kwantowe n  rozwiązania gęstość prawdopodobieństwa Ψ 1,0,0 1s l Ψ 2,0,0 Ψ 2,1,-1 2s l= 0 1 2 3 4 Ψ 2,1,0 2p s p d f g Ψ 2,1,1 Ψ 3,0,0 3s Ψ 3,1,-1 Ψ 3,1,0 3p ψ 3,1,1 Ψ 3,2,-2 Ψ 3,2,-1 Ψ 3,2,0 3d Ψ 3,2,1 9 Ψ 3,2,2
  • 10. Atom wodoru Równanie Schrödingera  funkcja falowa Funkcja falowa w interpretacji  interpretacja Funkcja falowa w interpretacji Borna. Prawdopodobieństwo Borna. Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym znalezienia elektronu w danym punkcie jest proporcjonalne do punkcie jest proporcjonalne do kwadratu funkcji falowej (Ψ2): kwadratu funkcji falowej (Ψ2): prawdopodobieństwo to jest prawdopodobieństwo to jest wyrażone przez stopień wyrażone przez stopień zaczernienia paska u dołu. zaczernienia paska u dołu. Gęstość prawdopodobieństwa Gęstość prawdopodobieństwa w węźle wynosi 0. Węzeł jest w węźle wynosi 0. Węzeł jest punktem, w którym funkcja punktem, w którym funkcja falowa przechodzi przez 0. falowa przechodzi przez 0. 10
  • 11. Atom wodoru Równanie Schrödingera  funkcja falowa  interpretacja  Zgodnie z postulatem Bohrna, prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym punkcie przestrzeni jest proporcjonalne do kwadratu funkcji falowej w tym punkcie.  Tam gdzie funkcja falowa ma dużą ampitudę, istnieje duże prawdopodobieństwo znalezienia opisanego przez nią elektronu. Tam gdzie funkcja falowa jest mała, znalezienie elektronu jest mało prawdopodobne. Tam gdzie funkcja falowa jest równa 0, znalezienie elektronu jest niemożliwe.  W mechanice kwantowej można przewidywać tylko prawdopodobieństwo znalezienia cząsteczki w danym miejscu. 11
  • 12. Atom wodoru Równanie Schrödingera  funkcja falowa  interpretacja Funkcja falowa elektronu w atomie ma tak istotne znaczenie, iż nadano jej specjalną nazwę – orbital atomowy. Orbital można poglądowo przedstawić jako chmurę otaczająca jądro atomu; gęstość chmury reprezentuje prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w każdym punkcie. 12
  • 13. Atom wodoru Liczby kwantowe n  rozwiązania gęstość prawdopodobieństwa Ψ 1,0,0 1s l Ψ 2,0,0 Ψ 2,1,-1 2s l= 0 1 2 3 4 Ψ 2,1,0 2p s p d f g Ψ 2,1,1 Ψ 3,0,0 3s Ψ 3,1,-1 Ψ 3,1,0 3p ψ 3,1,1 Ψ 3,2,-2 Ψ 3,2,-1 Ψ 3,2,0 3d Ψ 3,2,1 13 Ψ 3,2,2
  • 14. Atom wodoru Równanie Schrödingera  rozwiązania  funkcja falowa y ϕ r ψ n ,l , m = R ( r ) ⋅ φ ( ϕ ) ⋅ θ ( γ ) γ y x część radialna część kątowa 14
  • 15. Atom wodoru Równanie Schrödingera  rozwiązania  funkcja falowa ψ n ,l , m = R ( r ) ⋅ φ ( ϕ ) ⋅ θ ( γ ) n l m symbol Ψn,l,m 3 1 0 0 1s  1  2 − a0 r 2  e a   0 2 0 0 2s 3 1 r 1 1  r  − 2 a0 2 3    2 − e     2 2  a 0   a0  2 1 0 2pz 3 1 r 1  1   2 r  − 2 a0 2     e cosγ     4( 6) 2  a0   a0  1 3 1 r 2 1 ±1 2px 1  1   2 r  − 2 a0 2     e sinγ sinϕ h2 2  a   a  4( 6)  0   0  1 a0 = 2py 3 1 r 4π 2 me e 2 1  1   2 r  − 2 a0 2     e sinγ cosϕ     4( 6) 2  a0   a0  1 15
  • 16. Atom wodoru Równanie Schrödingera  rozwiązania  funkcja falowa  gęstość prawdopodobieństwa ψ n ,l ,m = [ R( r )φ ( ϕ )θ ( γ ) ] 2 2 1s P=Ψ2dV odległość od jądra, r 16
  • 17. Atom wodoru Równanie Schrödingera  rozwiązania  funkcja falowa  gęstość prawdopodobieństwa 17
  • 18. Atom wodoru Równanie Schrödingera  rozwiązania  funkcja falowa sumujemy/  gęstość prawdopodobieństwa całkujemy rozkład radialny Ψ2 po γ i ϕ ψ n ,l ,m = R( r ) ⋅ [φ ( ϕ )θ ( γ ) ] 2 2 2 4πr2R(r)2dr rozkład radialny gęstości 1s a0 odległość od jądra, r 18
  • 19. Atom wodoru Równanie Schrödingera  rozwiązania  funkcja falowa  gęstość prawdopodobieństwa rozkład radialny 19
  • 20. Atom wodoru Równanie Schrödingera  rozwiązania orbitale  funkcja falowa  składowa radialna 4πr2|R(r)|2 4πr2|R(r)|2 2s 2-0=2 4s 4-0=4 4p 4-1=3 3d 3-2=1 20
  • 21. Atom wodoru Wizualizacja orbitali Ψ 1,0,0 1s 07_105 Nodes Node Ψ 2,0,0 2s Ψ 3,0,0 3s 1s 2s (a) 3s P=90% 1s 2s (b) 3s 21
  • 22. Atom wodoru Wizualizacja orbitali Ψ 2,1,-1 Ψ 2,1,0 2p Ψ 2,1,1 z z z y y y x x x 2px 2py 2pz 22
  • 24. Atom wodoru Wizualizacja orbitali Ψ 3,2,-2 07_108B z z z Ψ 3,2,-1 Ψ 3,2,0 3d y y Ψ 3,2,1y Ψ 3,2,2 x x x dxz dyz dxy z z y y x x 24 (b) dx2 - y2 d z2
  • 25. Atom wodoru Wizualizacja orbitali 07_109 z z z Ψ 4,3,-3 Ψ 4,3,-2 Ψ 4,3,-1 4f x x x Ψ 4,3,0 Ψ 4,3,1 y y y Ψ 4,3,2 fz3 - 3 zr 5 2 fx 3 - 3 xr 2 5 fy 3 - 3 yr 2 5 Ψ 4,3,3 z z z z x x x x y y y y fxyz fy(x2 - z2) fx(z2 - y2) fz(x2 - y2) 25
  • 27. Atom wodoru Interpretacja widma Oblicz długość fali fotonu emitowanego przez atom wodoru w wyniku przejścia elektronu z poziomu n = 3 na poziom n = 2. Zidentyfikuj na rysunku (widmo wodoru) linię spektralną odpowiadającą temu przejściu. Zmiana energii elektronu w czasie przejścia ze stanu nj do stanu ni (j>i) 2π 2 me 4  2π 2 me 4  2π 2 me 4  1  1  ∆E = En j − Eni = − 2 2 −  − 2 2  =  hn  − 2 h nj  i  h 2  ni 2 n j    2π 2 me 4  1 1   1 1 ∆E = E3 − E2 =  − 2  = 2.179 ⋅10 −18  2 − 2  = 3.026 ⋅10 −19 J h 2  22 3  2 3  h = 6.626 ⋅10 −34 J ⋅ s m = 9.109 ⋅10 −31 kg 27 e = 1.602 ⋅10 −19 C
  • 28. Atom wodoru Interpretacja widma c 1 E = hν = h = hc λ λ hc 6.626 ⋅10 −34 J ⋅ s × 3.00 ⋅108 m / s λ= = = 6.57 ⋅10 −7 m E 3.026 ⋅10 −19 J = 657 nm h = 6.626 ⋅10 −34 J ⋅ s c = 3.00 ⋅108 m / s 28
  • 30. Atom wodoru Przykład 1 Identyfikacja linii w widmie wodoru różnica energii między dwoma stanami: ∆E = (1/22 – 1/32) ⋅ h ⋅ (3.29⋅1015 Hz) częstość emitowanego światła wynosi: ν = ∆E/h = (1/22 – 1/32)⋅(3.29⋅1015 Hz) długość fali promieniowania jest równa: λ= c/ν = (3,00⋅108 m/s)/(1/22 – 1/32)⋅(3.29⋅1015 Hz) λ = 6.57⋅10-7 m 30
  • 31. Atom wodoru Przykład 1 Identyfikacja linii w widmie wodoru 31
  • 32. 32
  • 33. Widmo doświadczalne Na H Ca Hg Ne 33
  • 35. Jon berylu w pułapce W ostatnim "Nature" teoretyczne prace o dekoherencji zostały potwierdzone we wspaniałym eksperymencie. Zespół Davida Winelanda z National Institute of Standards and Technology w Boulder w USA złapał w pułapkę magnetyczną jon berylu. Manipulacjami promieni laserowych fizycy sprawili, by jon znalazł się w takim kwantowym stanie, iż był jednocześnie w dwóch różnych miejscach (oddalonych o kilkadziesiąt nanometrów). Potem uczeni starali się zakłócić jego "podwójny" stan i wyprowadzić go z tej "schizofrenii". By tego dokonać, symulowali różne wpływy otoczenia. W końcu udało im się. Następowała dekoherencja - tzn. jon odnajdywał się tylko w jednym miejscu. Co więcej, fizycy potwierdzili teoretyczne wyliczenia, że dekoherencja następuje tym szybciej, im bardziej pozycje jonu były od siebie oddalone. Słowem, szybkość dekoherencji zależy od rozmiaru obiektu. Dla ogromnego (w porównaniu ze skalą atomową) kota kwantowe "być albo nie być" rozstrzyga się niemal natychmiastowo. Kot w pudełku staje się albo martwy, albo żywy. Nie ma szans tkwić tam w "dwuznacznej" sytuacji. 35
  • 36. Być może, jak na razie cieszą się entuzjaści możliwości podróży w czasie. Istnienie wszechświatów równoległych rozwiązuje paradoks dziadka: podróżnik cofa się do przeszłości i zabija swojego dziadka, zanim ten począł jego ojca - mamy problem: jak podróżujący może w ogóle istnieć skoro jego ojciec się nie narodzi? Odpowiedź: cofając się w czasie, przenosi się do równoległego wszechświata, w którym się nie narodzi. 36