Читать книгу Fascynująca chemia - Sylvia Feil - Страница 11

Pierwsza przesłanka pojawiła się, kiedy dokładnie przyjrzano się zachowaniu światła. Światło można w tradycyjnej fizyce opisać zasadniczo jako falę elektromagnetyczną, jednak w świecie atomów nie jest to wystarczające. Jak ustalił w 1905 roku Albert Einstein, światło składa się mianowicie z wiązki pojedynczych cząstek światła (fotonów), których suma sprawia dopiero, że działają jak fala elektromagnetyczna.

W 1924 roku francuski fizyk Louis de Broglie odwrócił perspektywę i stwierdził, że każda cząstka ma właściwości falowe. To okazało się decydującą ideą! Zamiast krążących elektronów trzeba sobie wyobrazić drgające fale elektronowe w atomie.

Lecz co właściwie drga? Na to pytanie nie jest łatwo udzielić odpowiedzi, gdyż fala elektronowa nie ma bezpośredniego znaczenia fizycznego, dlatego opisuje się ją abstrakcyjnie jako kwantowo-mechaniczną funkcję falową. Chemicy używają chętnie określenia orbitale. Z perspektywy matematycznej funkcja falowa przypisuje każdemu miejscu złożoną liczbę, którą można wyobrazić sobie jako strzałkę na dwuwymiarowej płaszczyźnie. Funkcja falowa ma zatem w każdym miejscu wartość bezwzględną (długość strzałki) oraz fazę (kąt obrotowy strzałki), którą graficznie często przedstawia się za pomocą odpowiedniego koloru na kole barw.

Dopiero jednak wartość funkcji falowej podniesiona do kwadratu może zostać zinterpretowana fizycznie i dla każdego miejsca określa wartość prawdopodobieństwa, że znajduje się tam elektron. Natomiast faza zyskuje na znaczeniu, kiedy funkcje falowe nakładają się na siebie i interferują.

Wartość funkcji falowej w danym miejscu

Powiązanie właściwości cząsteczek i fal w mechanice kwantowej wymaga więc zastąpienia orbit cząsteczek falami prawdopodobieństwa oraz tego, aby nie było możliwe przewidzenie, gdzie konkretnie znajduje się dana cząsteczka. Jest to wyjaśnienie niezrozumiałe i mało satysfakcjonujące, ale do tej pory nikt nie znalazł lepszego. Richard Feynman zauważył kiedyś bardzo celnie: „Nikt nie rozumie mechaniki kwantowej”.

Mimo tych trudności terminologicznych, mechanika kwantowa funkcjonuje z punktu widzenia matematyki bezbłędnie. Dzięki niej można precyzyjnie obliczyć fale elektronowe w atomie wodoru – każdy student fizyki i chemii musi to umieć! Jako że fala elektronowa znajduje się w przyciągającym polu jądra atomowego, przyjmuje ona kształt trójwymiarowej fali stojącej, podobnej do stojących drgań powietrza we wnętrzu instrumentu muzycznego.

Najprostsza stojąca fala elektronowa to symetryczny jak kula stan podstawowy (zwany „1s”). Ten stan podstawowy ma najmniejszą wartość energetyczną i odpowiada położonej najbardziej wewnątrz orbicie cząsteczki według Bohra (n = 1).

Prawdopodobne miejsce występowania elektronu przy składowej podstawowej (1s) w atomie wodoru. Po lewej zilustrowane jako stopień dystrybucji gęstości, po prawej – jako powierzchnia o stałej gęstości

Tak jak w przypadku drgań powietrza, stojąca fala elektronowa może również przyjmować bardziej skomplikowane formy i wytwarzać kolejne stany, w przypadku których w pewnych odległościach od jądra oraz w pewnych kierunkach znajdują się węzły fali. Kolejne stany mają wyższą energię niż stan podstawowy i odpowiadają wyższym orbitom w modelu atomowym Bohra.

Prawdopodobne miejsce występowania elektronu przy różnych składowych drgania

Przedstawienie funkcji falowej 5f₁. Zilustrowane powierzchnie znajdują się w miejscach, w których funkcja falowa przekracza konkretną wartość, podczas gdy kolory oznaczają fazy. Położenie płaszczyzn jest stałe w czasie, a wartości kolorów zmieniają się wraz z jego upływem