Vodorod atomi

Vodorod atomi vodorod kimyoviy elementining atomidir. Elektr neytral atom yadroga Kulon kuchi bilan bogʻlangan bitta musbat zaryadlangan proton va bitta manfiy zaryadlangan elektronni oʻz ichiga oladi. Atom vodorodi koinotning barion massasining taxminan 75% ni tashkil qiladi^[1].

Erdagi kundalik hayotda izolyatsiya qilingan vodorod atomlari („atom vodorodi“ deb ataladi) juda kam uchraydi. Buning oʻrniga, vodorod atomi birikmalardagi boshqa atomlar bilan yoki boshqa vodorod atomi bilan oddiy (ikki atomli) vodorod gazi H ₂ ni hosil qilish uchun birlashishga intiladi. Oddiy ingliz tilidagi „atom vodorodi“ va „vodorod atomi“ bir-birining ustiga chiqadigan, ammo aniq maʼnoga ega. Masalan, suv molekulasi ikkita vodorod atomini oʻz ichiga oladi, lekin atom vodorodini oʻz ichiga olmaydi.

Atom spektroskopiyasi klassik fizikaning bashoratiga zid ravishda vodorod atomi mavjud boʻlishi mumkin boʻlgan diskret cheksiz holatlar toʻplami mavjudligini koʻrsatadi. Vodorod atomining holatlarini nazariy tushunishni rivojlantirishga urinishlar kvant mexanikasi tarixi uchun muhim ahamiyatga ega edi, chunki boshqa barcha atomlarni ushbu eng oddiy atom tuzilishi haqida batafsil bilish orqali taxminan tushunish mumkin.

Izotoplar

Eng keng tarqalgan izotop vodorod-1, protiy yoki engil vodorod neytronlarni oʻz ichiga olmaydi va oddiygina proton va elektrondir . Protium barqaror boʻlib, tabiatda uchraydigan vodorod atomlarining 99,985% ni tashkil qiladi^[2].

Deyteriy (² H) yadrosida bitta neytron va bitta proton mavjud. Deyteriy barqaror va tabiiy vodorodning 0,0156% ni tashkil qiladi va yadro reaktorlari va yadro magnit-rezonansi kabi sanoat jarayonlarida qoʻllanadi.

Tritiy (³ H) yadrosida ikkita neytron va bitta proton mavjud va barqaror emas, yarim yemirilish davri 12,32 yil. Qisqa yarimparchalanish davri tufayli tritiy tabiatda mavjud emas, faqat izsiz miqdorda.

Vodorodning ogʻirroq izotoplari faqat sunʼiy ravishda zarracha tezlatgichlarida hosil boʻladi va yarim yemirilish davri ^10-22 sekundga teng. Ular neytron tomizish chizigʻidan tashqarida joylashgan bogʻlanmagan rezonanslardir; bu neytronning tez emissiyasiga olib keladi.

Vodorod ioni

Biroq, neytral vodorod boshqa atom bilan kovalent bogʻlanganda keng tarqalgan va vodorod atomlari katyonik va anion shakllarda ham mavjud boʻlishi mumkin.

Agar vodorod atomi ikkinchi elektronga ega boʻlsa, u anionga aylanadi. Vodorod anioni "H ^- " deb yoziladi va gidrid deb ataladi.

Nazariy tahlil

Vodorod atomi kvant mexanikasi va kvant maydon nazariyasida ikki tanali oddiy muammoli fizik tizim sifatida alohida ahamiyatga ega boʻlib, u yopiq shaklda koʻplab oddiy analitik echimlarni berdi.

1909-yilda Ernest Rezerford tomonidan oʻtkazilgan tajribalar atomning tuzilishi zich, musbat yadro boʻlib, uning atrofida zaif manfiy zaryad buluti borligini koʻrsatdi. Klassik elektromagnetizm shuni koʻrsatdiki, har qanday tezlashtiruvchi zaryad Larmor formulasida koʻrsatilganidek, energiya chiqaradi. Agar elektron mukammal aylana boʻylab orbitada boʻlib, uzluksiz energiya chiqaradi deb faraz qilinsa, elektron quyidagi vaqtga toʻgʻri keladigan tezlik bilan yadroga aylanadi^[3]:

Turli kvant sonlardagi elektron uchun xz -tekisligi orqali ehtimollik zichligi (ℓ, tepada; n, pastga tomonda; m = 0)

Oʻngdagi rasmda birinchi bir necha vodorod atomi orbitallari (energiya oʻz funksiyalari) koʻrsatilgan. Burchak momentum (orbital) kvant soni ℓ har bir ustunda odatdagi spektroskopik harf kodi (s ℓ degan maʼnoni anglatadi ) yordamida belgilanadi.=0, p ℓ degan maʼnoni anglatadi = 1, d ℓni bildiradi = 2). Asosiy (asosiy) kvant soni n (= 1, 2, 3, …) har bir qatorning oʻng tomonida belgilanadi. Barcha rasmlar uchun magnit kvant soni m 0 ga oʻrnatildi va kesma tekislik xz — tekislik (z — vertikal oʻq). Uch oʻlchovli fazodagi ehtimollik zichligi bu yerda koʻrsatilganni z oʻqi atrofida aylantirish orqali olinadi.

Kvant raqamlari bu tugunlarning joylashishini aniqlaydi^[4]. Lar bor:

$n-1$ umumiy tugunlar,
$\ell$ $\ell$ ulardan burchakli tugunlar:
- $m$ burchakli tugunlar atrofida aylanadi $\varphi$ oʻqi (xy tekisligida). (Yuqoridagi rasmda bu tugunlar koʻrsatilmagan, chunki u xz -tekisligi orqali kesmalarni chizadi. )
- $\ell -m$ (qolgan burchak tugunlari) ustida sodir boʻladi $\theta$ (vertikal) oʻq.
$n-\ell -1$ (qolgan burchak boʻlmagan tugunlar) radial tugunlardir.

Schrödinger yechimidan tashqariga chiqadigan xususiyatlar

Shredinger tenglamasi tomonidan eʼtibordan chetda qoladigan va real spektral chiziqlarning prognoz qilinganidan maʼlum kichik, ammo oʻlchanadigan ogʻishlari uchun javobgar boʻlgan bir nechta muhim effektlar mavjud:

Vodoroddagi elektronning oʻrtacha tezligi yorugʻlik tezligining atigi 1/137 qismini tashkil qilsa-da, koʻplab zamonaviy tajribalar etarlicha aniq boʻlib, toʻliq nazariy tushuntirish muammoni toʻliq relativistik davolashni talab qiladi. Relyativistik muolaja elektron uchun impulsning 37 000 dan 1 qismiga oshishiga olib keladi. Elektronning toʻlqin uzunligi uning impulsi bilan aniqlanganligi sababli, yuqori tezlikli elektronlarni oʻz ichiga olgan orbitallar kichikroq toʻlqin uzunliklari tufayli qisqarishni koʻrsatadi.
Hech qanday tashqi magnit maydon boʻlmasa ham, harakatlanuvchi elektronning inertial tizimida yadroning elektromagnit maydoni magnit komponentga ega. Elektronning spini bu magnit maydon bilan oʻzaro taʼsir qiluvchi bogʻliq magnit momentga ega. Bu taʼsir, shuningdek, maxsus nisbiylik bilan izohlanadi va u spin-orbita birikmasi deb ataladigan narsaga olib keladi, yaʼni elektronning yadro atrofidagi orbital harakati va uning spini oʻrtasidagi oʻzaro taʼsir.

Shredinger nazariyasiga alternativalar

Geyzenberg matritsa mexanikasi tilida vodorod atomi birinchi boʻlib Volfgang Pauli tomonidan burchak momentumi va Laplas-Runge-Lenz vektori tomonidan hosil qilingan toʻrt oʻlchamdagi aylanish simmetriyasi [O (4)-simmetriya] yordamida yechilgan. O (4) simmetriya guruhini O (4,2) dinamik guruhiga kengaytirib, butun spektr va barcha oʻtishlar bitta kamaytirilmaydigan guruh koʻrinishiga kiritilgan^[5]^[6].

1979-yilda (relyativistik boʻlmagan) vodorod atomi birinchi marta Feynmanning Duru va Kleinert tomonidan kvant mexanikasining integral formulasi doirasida hal qilindi^[7]^[8]. Bu ish Feynman usulini qoʻllash doirasini ancha kengaytirdi.

Manbalar

↑ Palmer. „Hydrogen in the Universe“. NASA (13-sentabr 1997-yil). 2014-yil 29-oktyabrda asl nusxadan arxivlangan. Qaraldi: 23-fevral 2017-yil.
↑ Housecroft, Catherine E.. Inorganic Chemistry, 2nd, Pearson Prentice-Hall, 2005 — 237-bet. ISBN 0130-39913-2.
↑ Olsen. „Classical Lifetime of a Bohr Atom“. Joseph Henry Laboratories, Princeton University (7-mart 2005-yil). 9-sentabr 2019-yilda asl nusxadan arxivlangan. Qaraldi: 11-dekabr 2015-yil.
↑ Summary of atomic quantum numbers. Lecture notes. 28 July 2006
↑ Pauli, W (1926). „Über das Wasserstoffspektrum vom Standpunkt der neuen Quantenmechanik“. Zeitschrift für Physik. 36-jild, № 5. 336–363-bet. Bibcode:1926ZPhy...36..336P. doi:10.1007/BF01450175.
↑ Kleinert H. (1968). „Group Dynamics of the Hydrogen Atom“ (PDF). Lectures in Theoretical Physics, Edited by W.E. Brittin and A.O. Barut, Gordon and Breach, N.Y. 1968. 427–482-bet.
↑ Duru I.H., Kleinert H. (1979). „Solution of the path integral for the H-atom“ (PDF). Physics Letters B. 84-jild, № 2. 185–188-bet. Bibcode:1979PhLB...84..185D. doi:10.1016/0370-2693(79)90280-6.
↑ Duru I.H., Kleinert H. (1982). „Quantum Mechanics of H-Atom from Path Integrals“ (PDF). Fortschr. Phys. 30-jild, № 2. 401–435-bet. Bibcode:1982ForPh..30..401D. doi:10.1002/prop.19820300802.

Adabiyotlar

Griffiths, David J.. Introduction to Quantum Mechanics. Prentice Hall, 1995. ISBN 0-13-111892-7. Section 4.2 deals with the hydrogen atom specifically, but all of Chapter 4 is relevant.
Kleinert, H. (2009). Path Integrals in Quantum Mechanics, Statistics, Polymer Physics, and Financial Markets, 4th edition, Worldscibooks.com, World Scientific, Singapore (also available online physik.fu-berlin.de)

Havolalar

[1] Palmer. „Hydrogen in the Universe“. NASA (13-sentabr 1997-yil). 2014-yil 29-oktyabrda asl nusxadan arxivlangan. Qaraldi: 23-fevral 2017-yil.

[Housecroft-2] Housecroft, Catherine E.. Inorganic Chemistry, 2nd, Pearson Prentice-Hall, 2005 — 237-bet. ISBN 0130-39913-2.

[3] Olsen. „Classical Lifetime of a Bohr Atom“. Joseph Henry Laboratories, Princeton University (7-mart 2005-yil). 9-sentabr 2019-yilda asl nusxadan arxivlangan. Qaraldi: 11-dekabr 2015-yil.

[4] Summary of atomic quantum numbers. Lecture notes. 28 July 2006

[pauli_1926-5] Pauli, W (1926). „Über das Wasserstoffspektrum vom Standpunkt der neuen Quantenmechanik“. Zeitschrift für Physik. 36-jild, № 5. 336–363-bet. Bibcode:1926ZPhy...36..336P. doi:10.1007/BF01450175.

[6] Kleinert H. (1968). „Group Dynamics of the Hydrogen Atom“ (PDF). Lectures in Theoretical Physics, Edited by W.E. Brittin and A.O. Barut, Gordon and Breach, N.Y. 1968. 427–482-bet.

[7] Duru I.H., Kleinert H. (1979). „Solution of the path integral for the H-atom“ (PDF). Physics Letters B. 84-jild, № 2. 185–188-bet. Bibcode:1979PhLB...84..185D. doi:10.1016/0370-2693(79)90280-6.

[8] Duru I.H., Kleinert H. (1982). „Quantum Mechanics of H-Atom from Path Integrals“ (PDF). Fortschr. Phys. 30-jild, № 2. 401–435-bet. Bibcode:1982ForPh..30..401D. doi:10.1002/prop.19820300802.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]