素粒子の波のような性質は長年にわたって大きな論争でしたが、物理学者のアーウィン・シュレディンガーによって終焉を迎えました。彼は、素粒子の波の性質を特定する数式を与え、原子軌道のエネルギーを研究できる波力学の新しい主題を導入しました。
この方程式は、粒子の運動とその波状関数、およびその許容エネルギーの間の関係を示します。 Schrodinger によって開発された理論は、原子と分子における電子のエネルギーと空間分布を説明します。
量子力学は、完全に理解する必要のない高度な数学的詳細を使用します。シュレディンガー方程式から導き出される波動関数の特徴だけに集中できます。それらは、実際の波の説明とは異なります。
量子力学の進歩により、電子は波のような性質と粒子の性質の両方を示すことが推測されました。これは、波と粒子の二重性と呼ばれます。
波動関数
波動関数は、空間内の特定の点における電子の位置をそのエネルギーに関連付ける数学関数です。一般に、波動関数は時間と位置の両方に依存します。
各原子の波動関数には、いくつかの特定のプロパティがあります。量子数の重要な特性は、これらが可算整数であり、線上の点などの連続変数ではないことです.
各電子には、その波動関数を決定する 4 つの量子数があります。 4 つの量子数は電子の波動関数を決定しますが、量子数を使用して決定できない特性については、平均値と確率を使用します。
量子力学から導き出される波動関数のいくつかの特性は次のとおりです:
- 時間に依存しない波動関数は、電子の位置を記述するために 3 つの変数を必要とします。 3 つの変数は、x、y、z として調整されます。
- 波動関数には、実数と虚数の両方の特性があります。たとえば、√ -1 には物理的な意味がありません。
- 特定の点で電子を見つける確率は、波動関数 Ѱ とその共役 ѱ* の積によって与えられます。ここで、i を含むすべての項は -i で置き換えられます。
- 電子を見つける確率の合計は 100% でなければなりません。
- 異なる原子の結合は、電子の波動関数の相対位相によって決定されます。
- すべての波動関数には、その波動関数の特性を指定する独自の量子数のセットがあります。 2 つの主な特性は、原子の電子エネルギーと空間配置です。
- 各波動関数は特定のエネルギーに関連しています。
電子の波動関数を知るためにシュレディンガー理論を適用するには、3 つの主な量子数が必要です。
- 「n」で示される主量子数は、軌道の数です。
- 「l」で示される方位量子数は、軌道の 3D 形状を示します。
- 「ml」で示される磁気量子数は、軌道の空間的な向きを示します。
- スピン量子数は、電子のスピン +½ または -½ を表します。
軌道の構造
軌道は、電子が配置されている境界のある空間領域として定義できます。各軌道は、数字と文字で表されます。数字はエネルギーレベルを表します。したがって、それは 1 から始まり、核に最も近いことを示します。数値が増加するにつれて、核と軌道の間の距離が増加します。
文字は軌道の形状を表しています。 s、p、d、f、h、i、j、k などから始まります。この命名には特に理由はありません。
S軌道
S軌道は、中空のボールのように核の周りに球状に囲まれています。原子核から遠ざかるにつれてエネルギー準位が比例して増加し、軌道サイズも増加します。 1秒<2秒<3秒…..
軌道サイズが大きくなるにつれて、電子を見つける確率は低下します。
節点という用語は、電子を見つける可能性がゼロの点として定義できます。節点には 2 種類あります:
- 核からの距離は放射状節点によって決まります。
- 角度の節点が方向を決定します。
s – 軌道 =n – 1 のノードの総数。したがって、2s のノードの数は 1 で、3s のノードの数は 2 などです。
1s 軌道と 2s 軌道は球形ですが、s 軌道は一般に球対称です。これは、電子が特定の距離にある可能性がすべての方向で同じであることを意味します。
P軌道
すべての電子が特定のエネルギーを持っていることがわかっているため、すべての電子が s 軌道を占めるわけではありません。 2 番目のレベルには 2s 軌道と 2p 軌道があります。 P軌道はダンベル型です。 p - 軌道のノードは中央にあります。軌道には 3 つの軌道があるため、最大 6 つの電子を収容できます。
3 つの軌道すべての配置は、互いに直角になっています。各 P 軌道にはローブと呼ばれるセクションがあり、核を通る平面の両側に存在します。節点は、2 つのローブの交点です。
P 軌道のローブは、x、y、z 軸の平面に沿って配置され、3 つの軌道のサイズ、形状、およびエネルギーが同一であるため、2px、2py、および 2pz として示されます。それらは縮退軌道と呼ばれます。
P 軌道のノードの総数 =n – 2.
D軌道
3 番目のエネルギー準位には、3s、3p、および 3d が含まれます。 d軌道は二重のダンベル型です。 d – 軌道の場合、n の値は 3 で、l =2 です。
l =2 の場合、ml 値は –2、–1、0、+1、および +2 であり、5 つの d 軌道、すなわち dxy、dyz、dxz、dx2–y2、および dz2 になります。すべての軌道は同じ軌道エネルギーを持っていますが、最初の 4 つの形状は同じで、最後の dz2 は形状が異なります。
ノード数
dxy =2
dxz =2
ディズ =2
dx2-y2 =2
dz2 =0
F軌道
4 番目以降のレベルでは、数が 7 の f 軌道が見つかります。拡散した形をしています。
l の値は 3 です。したがって、n の最大値は 4 です。
f 軌道に対応する ml の値は (-3、–2、–1、0、+1、+2、+3) であるため、7 つの f 軌道があります:fx(x2-y2)、fy(x2-y2) )、fxyz、fz3、fyz、fxz2、fz(x2-y2)。
結論
軌道のエネルギー レベルと原子の空間配置を理解するには、原子軌道のエネルギーがどのように計算され、どのように空間に配置されるかについて数学的な結論を与える方程式を理解する必要があります。
電子は粒子の機能と波動の機能を併せ持つ粒子であることがわかり、これを波動粒子双対性と定義しました。電子のこの特性は、電子が波のような特性を示すと結論付けるまで何年も議論されてきました.
シュレディンガーが波動関数方程式を与えた後、電子の性質を理解し、エネルギーと軌道の空間配置を得ることがずっと簡単になりました.
