Concetti Chiave
- Heisenberg critiqued Bohr's atomic model, highlighting the impossibility of knowing an electron's position and velocity simultaneously due to measurement interference.
- Heisenberg's uncertainty principle states that precise simultaneous measurement of conjugate variables, such as position and momentum, is impossible.
- Schrödinger's wave equation describes electrons' dual wave-particle nature, offering probabilistic insights into electron positions within atoms.
- Schrödinger introduces orbitals as probabilistic regions, defined by quantum numbers, where finding an electron is most likely.
- Quantum numbers (n, l, m, ms) uniquely define electron states, dictating orbital size, shape, orientation, and electron spin.
Il fisico tedesco Heisenberg studiò il modello atomico di Bohr riscontrando dei limiti soprattutto riguardanti il concetto di orbita. Bohr affermava che gli elettroni si muovessero attorno al nucleo su delle orbite, presupponendo di conoscere contemporaneamente la posizione e la velocità degli elettroni in ogni istante del loro moto. Se volessimo determinare la posizione di un elettrone dovremmo irradiare con dei fotoni che interagirebbero con l'elettrone deviandone la traiettoria e modificandone la velocità.
Heisenberg dimostrò che era impossibile determinare con precisione arbitraria la posizione e la velocità di un elettrone contemporaneamente.
Nello stesso periodo il fisico Schrödinger, attraverso la sua equazione d'onda, descrive la natura dualistica degli elettroni.
Con i due scienziati sopracitati si afferma il modello quantistico, caratterizzato dalla descrizione probabilistica dell'atomo.
PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISENBERG
Il principio di indeterminazione di Heisenberg afferma che non è possibile determinare con precisione arbitraria e contemporaneamente due variabili coniugate, ossia non è possibile conoscere con esattezza e contemporaneamente due variabili quali posizione e quantità di moto di una particella.
Questo vuol dire che se misuriamo la posizione e la velocità di una particella, le grandezze che otteniamo sono caratterizzate da errori di misura il cui prodotto sarà sempre maggiore o uguale a h/2 (dove h rappresenta la costante di Planck ridotta).
Una conseguenza di tale principio è che per gli elettroni non si può parlare di traiettorie ma di spazi in cui la probabilità di trovare un elettrone è diversa da zero.
L'EQUAZIONE DI SCHRÖDINGER
L'equazione di Schrödinger descrive la natura dualistica onda/particella degli elettroni. Le soluzioni che descrivono gli elettroni forniscono delle informazioni probabilistiche circa la posizione di un elettrone all'interno dell'atomo. Se, attraverso un esperimento, volessimo definire la posizione di una particella, troveremmo qualcosa e quel qualcosa sarebbe di natura una particella. Se questo non accade, allora parliamo di una distribuzione di probabilità che fornisce una informazione riguardo la posizione probabile di un elettrone.
Schrödinger introduce la funzione d'onda e afferma che il modulo al quadrato della funzione d'onda è pari alla probabilità di trovare un elettrone in un punto preciso dello spazio. Egli, inoltre, definisce orbitali le regioni a maggior probabilità di trovare gli elettroni.
All'interno dell'atomo esistono regioni che hanno una certa probabilità che ci sia l'elettrone.
Gli orbitali sono delle vere e proprie strutture tridimensionali di probabilità, non sono delle regioni in cui l'elettrone si muove ma sono delle regioni in cui è massima la probabilità di trovare un elettrone. L'orientamento, la forma e la dimensione degli orbitali è definita dai numeri quantici.
Numeri quantici:
- ogni orbitale è univocamente determinato dai tre numeri quantici n, m, l;
- ogni orbitale può ospitare al massimo due elettroni che differiscono per il quarto parametro quantico ms;
- orbitali che ospitano elettroni di pari energia si definiscono isoenergetici;
- lo stato di un elettrone in un atomo è univocamente determinato dai quattro numeri quantici n, m, l, ms.
Il numero quantico n è il principale e indica la dimensione, il livello energetico dell'orbitale e può assumere valori quali 1,2,3.. Il numero quantico l è il numero quantico secondario (o angolare) e indica la forma dell’orbitale, il momento angolare dell’elettrone, e può essere compreso tra 0 e n-1. Il numero quantico m è quello magnetico e indica l’orientamento dell’orbitale nello spazio; può assumere valori quali 0, ±1,…, ± l. Infine, il numero quantico ms è il numero di spin, indica il senso di rotazione dell'elettrone intorno al proprio asse e può assumere i valori +1/2 e -1/2.
Riassunto dell'evoluzione dei modelli atomici
(Le immagini sono tratte da Wikipedia)
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Domande da interrogazione
- Quali sono i limiti del modello atomico di Bohr secondo Heisenberg?
- Cosa afferma il principio di indeterminazione di Heisenberg?
- Come descrive Schrödinger la natura degli elettroni?
- Cosa sono gli orbitali secondo Schrödinger?
- Quali sono i numeri quantici e cosa indicano?
Heisenberg riscontrò che il modello di Bohr presupponeva la conoscenza simultanea della posizione e della velocità degli elettroni, cosa impossibile secondo il principio di indeterminazione.
Il principio di indeterminazione di Heisenberg afferma che non è possibile determinare con precisione arbitraria e contemporaneamente due variabili coniugate, come posizione e quantità di moto di una particella.
Schrödinger descrive la natura dualistica onda/particella degli elettroni attraverso la sua equazione d'onda, fornendo informazioni probabilistiche sulla posizione degli elettroni.
Gli orbitali sono regioni tridimensionali di probabilità dove è massima la probabilità di trovare un elettrone, definite dai numeri quantici.
I numeri quantici sono n, l, m, ms e indicano rispettivamente la dimensione e il livello energetico dell'orbitale, la forma dell'orbitale, l'orientamento nello spazio e il senso di rotazione dell'elettrone.
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