پرسش

با عرض سلام و خسته نباشید
منظور از رفتار دو گانه الکترون و اوربیتال اتمی ومدل الکترونی چیست؟
باتشکر

پاسخ

با عرض سلام و آرزوی قبولی طاعات و عبادات شما دوست عزیز در ماه مبارک رمضان:

در ابتدا و قبل از ارائه ی مدل اتمی بوهر، یعنی تا زمانی که تنها مدل های اتمی رادرفورد و تامسون وجود داشتُ موج و ذره دو واژه ی کاملاً جدا با خواص متمایز از یکدیگر بودند.
پس از اینکه بوهر مدل اتمی خود را ارائه کرد، با گذشت زمان و پیشرفت علم و دستگاههای طیف بینی، مشخص شد که نظریه ی بوهر از نظر اساس درست است اما جزئیات آن کاملاً هم رسا و درست نمی باشد. چرا؟ زیرا دستگاههای پیشرفته نشان داد که خطهای طیفی هیدروژن که بوهر پیش بینی کرده بود، خطهای تنها نیستند. با یک طیف نمای بهتر، به جای یک خط تنها، چندین خط با فاصله ی بسیار نزدیک به هم دیده می شود. برای توجیه این ساختار ظریف طیف هیدروژن، دانشمندان لازم دیدند مدل اتمی خود را اصلاح کنند.
در سال 1923، فیزیکدان فرانسوی، لویی دوبروی فرضیه ای پیشنهاد کرد که منجر به تئوری امروزی ساختار اتم شد. دوبروی از افکار پلانک مبنی بر اینکه تابش از مقادیر مجزای انرژی موسوم به کوانتومها تشکیل شده است، آگاه بود. این تئوری ظاهراً به امواج (نور یا تابش)، خواص ذرات را نسبت می داد. دوبروی تصور کرد که اگز پلانک حق داشته باشد که به امواج ، خواص ذره نسبت دهد، پس شاید ذرات نیز برخی از خواص امواج را داشته باشند.
دوبروی از رابطه ی اینشتین بین ماده و انرژی E=mc**2 (که ** به معنی به توان می باشد) و نیز از رابطه ی پلانک E=hv استفاده کرد و آنها را مساوی هم قرار داد و با جاگذاری های معادل، رابطه ای برای طول موج یا لاندا به دست آورد که لاندا برابر است با h/mv . عبارت اخیر این امکان را برای دوبروی فراهم آورد که طول موج یک ذره با جرم m و سرعت v را پیش بینی کند. یعنی به ذره ای به جرم m که سرعت v حرکت می کند، طول موج لاندا را نسبت داد. در عرض دو سال، درستی فرضیه ی دوبروی ثابت شد. دانشمندان با آزمایش دریافتند که یک جریان الکترونی از بعضی جهات مانند یک پرتو نور عمل می کند. بعدها نشان داده شد که طول موج الکترونها دقیقاً همان چیزی است که دوبروی پیش بینی کرده بود.
بنابراین امواج می توانند مانند ذرات عمل کنند و ذرات نیز می توانند رفتاری مانند امواج داشته باشند. دیدید که مدل اتمی بوهر چگونه نور را با تکیه ب خواص ذرات توجیه می کرد. نور نیز خواصی دارد که می توان آنها را با رفتار موجی توضیح داد.
الکترونها نیز مانند نور هر دو دسته خواص امواج و ذرات را دارند. ولی خواص ذره ای و موجی یک الکترون را نمی توان با یک آزمایش مشاهده کرد. اگر آزمایشی برای نشان دادن خواص موجی الکترون انجام شود، الکترون رفتار موجی از خود نشان خواهد داد. در آزمایش دیگر که برای نشان دادن خواص ذره ای الکترون انجام می شود، الکترون دارای رفتار یک ذره خواهد بود. اندیشه ی کلی درباره ی ماهیت دوگانه ی امواج و ذرات را به عنوان ماهیت دوگانه ی موج-ذره مورد توجه قرار می دهند. این دوگانگی در مورد تمام امواج و تمام ذرات به کار می رود. دانشمندان همیشه به این دوگانگی توجه نمی کنند. برای مثال، هنگامی که حرکت یک فضاپیما را بررسی می کنند ویژگیهای موجی آن را در بررسیهای خود وارد نمی کنند. آنها فضاپیما را فقط به عنوان یک ذره مطالعه می کنند. ولی در مطالعه ی ذرات بسیار کوچک، دانشمندان نمی توانند خواص موجی آنها را نادیده بگیرند. به عنوان مثال در مطالعه ی یک الکترون ، ویژگیهای موجی آن می تواند مانند ویژگیهای ذره ای آن، اطلاعات فراوانی درباره ی رفتار الکترون در اختیار بگذارد.
کار شرودینگر:
شیمیدانان و فیزیکدانان برای توصیف کامل ساختار دقیق اتم، خود را ناتوان دیدند. درنتیجه فیزیکدان معروف، هایزنبرگ گفت که چنانچه الکترون به عنوان یک ذره در نظر گرفته شود، حرکت دقیق آن ناشناخته است و هرگز نمی توان آن را تعیین کرد. اما اگر یک الکترون در حال حرکت را به عنوان موج در نظر بگیریم چه می شود؟ فیزیکدان اتریشی، اروین شرودنگر ماهیت موجی الکترون را مورد بررسی قرار داد.
شرودینگر الکترون را به عنوان موج مورد بررسی قرار داد و برای توصیف رفتار موج مانند آن یک معادله ی ریاضی پیچیده به دست آورد. معادله ی شرودینگر، دامنه ی موج الکترونی یا سای را به هر نقطه از فضا در اطراف هسته ربط می دهد.
ماکس بورن، فیزیکدان دیگری با عملیات ریاضی نشان داد که سای به توان دو، احتمال یافتن الکرتون در نقطه ای از فضا است که معادله ی شرودینگر برای آن حل شده است. هر قدر این احتمال بیشتر باشد، احتمال یافتن الکترون در آن موضع معین بیشتر است.
نظریه ی مکانیک موجی اتم هیدروژن:
برای تعیین احتمال یافتن الکترون هیدروژن در هر مکان، از معادله ی موجی شرودینگر استفاده شده است. خصلت کلیدی حل معادله ی موجی، استفاده از اعداد کوانتو