Concetti Chiave
- Heisenberg ha dimostrato che non è possibile conoscere con precisione simultanea la posizione e la velocità di un elettrone, introducendo il principio di indeterminazione.
- Schrödinger ha sviluppato l'equazione d'onda per descrivere la natura dualistica degli elettroni, fornendo una visione probabilistica della loro posizione all'interno dell'atomo.
- Gli orbitali rappresentano regioni tridimensionali di probabilità in cui è massima la possibilità di trovare un elettrone, definiti da numeri quantici specifici.
- I numeri quantici n, l, m e ms determinano rispettivamente la dimensione, la forma, l'orientamento e il senso di rotazione degli orbitali e degli elettroni.
- Il modello quantistico dell'atomo si basa sulla descrizione probabilistica dell'atomo, superando le limitazioni dei modelli precedenti come quello di Bohr.
Il principio di indeterminazione
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.
Il modello quantistico
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.
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).
La funzione d'onda 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 All'interno dell'atomo esistono regioni che hanno una certa probabilità che ci sia l'elettrone.
Gli orbitali e i numeri quantici
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.
- 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.
Dettagli sui numeri quantici
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.
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Domande da interrogazione
- Qual è il significato del principio di indeterminazione di Heisenberg?
- Come descrive Schrödinger la natura degli elettroni?
- Cosa sono gli orbitali e come sono definiti?
- Quali sono i numeri quantici e cosa rappresentano?
- Come si relazionano gli orbitali isoenergetici?
Il principio di indeterminazione afferma che non è possibile determinare con precisione contemporaneamente la posizione e la velocità di un elettrone, poiché il prodotto degli errori di misura sarà sempre maggiore o uguale a h/2, dove h è la costante di Planck ridotta.
Schrödinger, attraverso la sua equazione d'onda, descrive la natura dualistica degli elettroni, fornendo informazioni probabilistiche sulla loro posizione all'interno dell'atomo, e introducendo la funzione d'onda che rappresenta le regioni di massima probabilità di trovare un elettrone.
Gli orbitali sono strutture tridimensionali di probabilità che indicano le regioni in cui è massima la probabilità di trovare un elettrone. La loro forma, orientamento e dimensione sono definiti dai numeri quantici.
I numeri quantici (n, l, m, ms) determinano le caratteristiche degli orbitali: n indica il livello energetico, l la forma, m l'orientamento e ms il senso di rotazione dell'elettrone.
Gli orbitali isoenergetici ospitano elettroni di pari energia e sono caratterizzati da una configurazione che consente di avere elettroni con lo stesso livello energetico, ma con diverse combinazioni di numeri quantici.
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