Vodorod atomi

Водород атоми водород кимёвий элементининг атомидир. Электр нейтрал атом ядрога Кулон кучи билан боғланган битта мусбат зарядланган протон ва битта манфий зарядланган электронни ўз ичига олади. Атом водороди коинотнинг барион массасининг тахминан 75% ни ташкил қилади^[1].

Эрдаги кундалик ҳаётда изоляция қилинган водород атомлари („атом водороди“ деб аталади) жуда кам учрайди. Бунинг ўрнига, водород атоми бирикмалардаги бошқа атомлар билан ёки бошқа водород атоми билан оддий (икки атомли) водород гази Ҳ ₂ ни ҳосил қилиш учун бирлашишга интилади. Оддий инглиз тилидаги „атом водороди“ ва „водород атоми“ бир-бирининг устига чиқадиган, аммо аниқ маънога эга. Масалан, сув молекуласи иккита водород атомини ўз ичига олади, лекин атом водородини ўз ичига олмайди.

Атом спектроскопияси классик физиканинг башоратига зид равишда водород атоми мавжуд бўлиши мумкин бўлган дискрет чексиз ҳолатлар тўплами мавжудлигини кўрсатади. Водород атомининг ҳолатларини назарий тушунишни ривожлантиришга уринишлар квант механикаси тарихи учун муҳим аҳамиятга эга эди, чунки бошқа барча атомларни ушбу энг оддий атом тузилиши ҳақида батафсил билиш орқали тахминан тушуниш мумкин.

Изотоплар

Энг кенг тарқалган изотоп водород-1, протий ёки энгил водород нейтронларни ўз ичига олмайди ва оддийгина протон ва электрондир . Протиум барқарор бўлиб, табиатда учрайдиган водород атомларининг 99,985% ни ташкил қилади^[2].

Дейтерий (² Ҳ) ядросида битта нейтрон ва битта протон мавжуд. Дейтерий барқарор ва табиий водороднинг 0,0156% ни ташкил қилади ва ядро реакторлари ва ядро магнит-резонанси каби саноат жараёнларида қўлланади.

Тритий (³ Ҳ) ядросида иккита нейтрон ва битта протон мавжуд ва барқарор эмас, ярим емирилиш даври 12,32 йил. Қисқа яримпарчаланиш даври туфайли тритий табиатда мавжуд эмас, фақат изсиз миқдорда.

Водороднинг оғирроқ изотоплари фақат сунъий равишда заррача тезлатгичларида ҳосил бўлади ва ярим емирилиш даври ^10-22 секундга тенг. Улар нейтрон томизиш чизиғидан ташқарида жойлашган боғланмаган резонанслардир; бу нейтроннинг тез эмиссиясига олиб келади.

Водород иони

Бироқ, нейтрал водород бошқа атом билан ковалент боғланганда кенг тарқалган ва водород атомлари катёник ва анион шаклларда ҳам мавжуд бўлиши мумкин.

Агар водород атоми иккинчи электронга эга бўлса, у анионга айланади. Водород аниони "Ҳ ^- " деб ёзилади ва гидрид деб аталади.

Назарий таҳлил

Водород атоми квант механикаси ва квант майдон назариясида икки танали оддий муаммоли физик тизим сифатида алоҳида аҳамиятга эга бўлиб, у ёпиқ шаклда кўплаб оддий аналитик эчимларни берди.

1909-йилда Эрнест Резерфорд томонидан ўтказилган тажрибалар атомнинг тузилиши зич, мусбат ядро бўлиб, унинг атрофида заиф манфий заряд булути борлигини кўрсатди. Классик электромагнетизм шуни кўрсатдики, ҳар қандай тезлаштирувчи заряд Лармор формуласида кўрсатилганидек, энергия чиқаради. Агар электрон мукаммал айлана бўйлаб орбитада бўлиб, узлуксиз энергия чиқаради деб фараз қилинса, электрон қуйидаги вақтга тўғри келадиган тезлик билан ядрога айланади^[3]:

Турли квант сонлардаги электрон учун хз -текислиги орқали эҳтимоллик зичлиги (ℓ, тепада; н, пастга томонда; м = 0)

Ўнгдаги расмда биринчи бир неча водород атоми орбиталлари (энергия ўз функсиялари) кўрсатилган. Бурчак моментум (орбитал) квант сони ℓ ҳар бир устунда одатдаги спектроскопик ҳарф коди (с ℓ деган маънони англатади ) ёрдамида белгиланади.=0, п ℓ деган маънони англатади = 1, д ℓни билдиради = 2). Асосий (асосий) квант сони н (= 1, 2, 3, …) ҳар бир қаторнинг ўнг томонида белгиланади. Барча расмлар учун магнит квант сони м 0 га ўрнатилди ва кесма текислик хз — текислик (з — вертикал ўқ). Уч ўлчовли фазодаги эҳтимоллик зичлиги бу ерда кўрсатилганни з ўқи атрофида айлантириш орқали олинади.

Квант рақамлари бу тугунларнинг жойлашишини аниқлайди^[4]. Лар бор:

${\дисплайстйле н-1}$ умумий тугунлар,
${\дисплайстйле \элл}$ улардан бурчакли тугунлар:
- ${\дисплайстйле м}$ бурчакли тугунлар атрофида айланади ${\дисплайстйле \варпҳи}$ ўқи (хй текислигида). (Юқоридаги расмда бу тугунлар кўрсатилмаган, чунки у хз -текислиги орқали кесмаларни чизади. )
- ${\дисплайстйле \элл-м}$ (қолган бурчак тугунлари) устида содир бўлади ${\дисплайстйле \тҳета}$ (вертикал) ўқ.
${\дисплайстйле н - \элл - 1}$ (қолган бурчак бўлмаган тугунлар) радиал тугунлардир.

Счрöдингер ечимидан ташқарига чиқадиган хусусиятлар

Шредингер тенгламаси томонидан эътибордан четда қоладиган ва реал спектрал чизиқларнинг прогноз қилинганидан маълум кичик, аммо ўлчанадиган оғишлари учун жавобгар бўлган бир нечта муҳим эффектлар мавжуд:

Водороддаги электроннинг ўртача тезлиги ёруғлик тезлигининг атиги 1/137 қисмини ташкил қилса-да, кўплаб замонавий тажрибалар этарлича аниқ бўлиб, тўлиқ назарий тушунтириш муаммони тўлиқ релативистик даволашни талаб қилади. Релятивистик муолажа электрон учун импулснинг 37 000 дан 1 қисмига ошишига олиб келади. Электроннинг тўлқин узунлиги унинг импулси билан аниқланганлиги сабабли, юқори тезликли электронларни ўз ичига олган орбиталлар кичикроқ тўлқин узунликлари туфайли қисқаришни кўрсатади.
Ҳеч қандай ташқи магнит майдон бўлмаса ҳам, ҳаракатланувчи электроннинг инертиал тизимида ядронинг электромагнит майдони магнит компонентга эга. Электроннинг спини бу магнит майдон билан ўзаро таъсир қилувчи боғлиқ магнит моментга эга. Бу таъсир, шунингдек, махсус нисбийлик билан изоҳланади ва у спин-орбита бирикмаси деб аталадиган нарсага олиб келади, яъни электроннинг ядро атрофидаги орбитал ҳаракати ва унинг спини ўртасидаги ўзаро таъсир.

Шредингер назариясига алтернативалар

Гейзенберг матрица механикаси тилида водород атоми биринчи бўлиб Волфганг Паули томонидан бурчак моментуми ва Лаплас-Рунге-Ленз вектори томонидан ҳосил қилинган тўрт ўлчамдаги айланиш симметрияси [О (4)-симметрия] ёрдамида ечилган. О (4) симметрия гуруҳини О (4,2) динамик гуруҳига кенгайтириб, бутун спектр ва барча ўтишлар битта камайтирилмайдиган гуруҳ кўринишига киритилган^[5]^[6].

1979-йилда (релятивистик бўлмаган) водород атоми биринчи марта Фейнманнинг Дуру ва Клеинерт томонидан квант механикасининг интеграл формуласи доирасида ҳал қилинди^[7]^[8]. Бу иш Фейнман усулини қўллаш доирасини анча кенгайтирди.

Манбалар

↑ Палмер. „Ҳйдроген ин тҳе Универсе“. НАСА (13-сентабр 1997-йил). 2014-йил 29-октябрда асл нусхадан архивланган. Қаралди: 23-феврал 2017-йил.
↑ Ҳоусеcрофт, Cатҳерине Э.. Инорганиc Чемистрй, 2нд, Пеарсон Прентиcе-Ҳалл, 2005 — 237-бет. ИСБН 0130-39913-2.
↑ Олсен. „Cлассиcал Лифетиме оф а Боҳр Атом“. Жосепҳ Ҳенрй Лабораториэс, Принcетон Университй (7-март 2005-йил). 9-сентабр 2019-йилда асл нусхадан архивланган. Қаралди: 11-декабр 2015-йил.
↑ Суммарй оф атомиc қуантум нумберс (Wайбаcк Мачине сайтида 2015-09-22 санасида архивланган). Леcтуре нотес. 28 Жулй 2006
↑ Паули, W (1926). „Üбер дас Wассерстоффспектрум вом Стандпункт дер неуэн Қуантенмечаник“. Зеицчрифт фüр Пҳйсик. 36-жилд, № 5. 336–363-бет. Бибcоде:1926ЗПҳй...36..336П. дои:10.1007/БФ01450175.
↑ Клеинерт Ҳ. (1968). „Гроуп Дйнамиcс оф тҳе Ҳйдроген Атом“ (ПДФ). Леcтурес ин Тҳеоретиcал Пҳйсиcс, Эдитед бй W.Э. Бриттин анд А.О. Барут, Гордон анд Бреач, Н.Й. 1968. 427–482-бет. 2007-07-01да асл нусхадан (ПДФ) архивланди. Қаралди: 2023-05-28.
↑ Дуру И.Ҳ., Клеинерт Ҳ. (1979). „Солутион оф тҳе патҳ интеграл фор тҳе Ҳ-атом“ (ПДФ). Пҳйсиcс Леттерс Б. 84-жилд, № 2. 185–188-бет. Бибcоде:1979ПҳЛБ...84..185Д. дои:10.1016/0370-2693(79)90280-6. 2008-03-09да асл нусхадан (ПДФ) архивланди. Қаралди: 2023-05-28.
↑ Дуру И.Ҳ., Клеинерт Ҳ. (1982). „Қуантум Мечаниcс оф Ҳ-Атом фром Патҳ Интегралс“ (ПДФ). Форцчр. Пҳйс. 30-жилд, № 2. 401–435-бет. Бибcоде:1982ФорПҳ..30..401Д. дои:10.1002/проп.19820300802. 2007-06-27да асл нусхадан (ПДФ) архивланди. Қаралди: 2023-05-28.

Адабиётлар

Гриффитҳс, Давид Ж.. Интродуcтион то Қуантум Мечаниcс. Прентиcе Ҳалл, 1995. ИСБН 0-13-111892-7. Сеcтион 4.2 деалс wитҳ тҳе ҳйдроген атом спеcифиcаллй, бут алл оф Чаптер 4 ис релевант.
Клеинерт, Ҳ. (2009). Патҳ Интегралс ин Қуантум Мечаниcс, Статистиcс, Полймер Пҳйсиcс, анд Финанcиал Маркец, 4тҳ эдитион, Wорлдсcибоокс.cом, Wорлд Сcиэнтифиc, Сингапоре (алсо аваилабле онлине пҳйсик.фу-берлин.де (Wайбаcк Мачине сайтида 2008-05-10 санасида архивланган))

Ҳаволалар

[1] Палмер. „Ҳйдроген ин тҳе Универсе“. НАСА (13-сентабр 1997-йил). 2014-йил 29-октябрда асл нусхадан архивланган. Қаралди: 23-феврал 2017-йил.

[Housecroft-2] Ҳоусеcрофт, Cатҳерине Э.. Инорганиc Чемистрй, 2нд, Пеарсон Прентиcе-Ҳалл, 2005 — 237-бет. ИСБН 0130-39913-2.

[3] Олсен. „Cлассиcал Лифетиме оф а Боҳр Атом“. Жосепҳ Ҳенрй Лабораториэс, Принcетон Университй (7-март 2005-йил). 9-сентабр 2019-йилда асл нусхадан архивланган. Қаралди: 11-декабр 2015-йил.

[4] Суммарй оф атомиc қуантум нумберс (Wайбаcк Мачине сайтида 2015-09-22 санасида архивланган). Леcтуре нотес. 28 Жулй 2006

[pauli_1926-5] Паули, W (1926). „Üбер дас Wассерстоффспектрум вом Стандпункт дер неуэн Қуантенмечаник“. Зеицчрифт фüр Пҳйсик. 36-жилд, № 5. 336–363-бет. Бибcоде:1926ЗПҳй...36..336П. дои:10.1007/БФ01450175.

[6] Клеинерт Ҳ. (1968). „Гроуп Дйнамиcс оф тҳе Ҳйдроген Атом“ (ПДФ). Леcтурес ин Тҳеоретиcал Пҳйсиcс, Эдитед бй W.Э. Бриттин анд А.О. Барут, Гордон анд Бреач, Н.Й. 1968. 427–482-бет. 2007-07-01да асл нусхадан (ПДФ) архивланди. Қаралди: 2023-05-28.

[7] Дуру И.Ҳ., Клеинерт Ҳ. (1979). „Солутион оф тҳе патҳ интеграл фор тҳе Ҳ-атом“ (ПДФ). Пҳйсиcс Леттерс Б. 84-жилд, № 2. 185–188-бет. Бибcоде:1979ПҳЛБ...84..185Д. дои:10.1016/0370-2693(79)90280-6. 2008-03-09да асл нусхадан (ПДФ) архивланди. Қаралди: 2023-05-28.

[8] Дуру И.Ҳ., Клеинерт Ҳ. (1982). „Қуантум Мечаниcс оф Ҳ-Атом фром Патҳ Интегралс“ (ПДФ). Форцчр. Пҳйс. 30-жилд, № 2. 401–435-бет. Бибcоде:1982ФорПҳ..30..401Д. дои:10.1002/проп.19820300802. 2007-06-27да асл нусхадан (ПДФ) архивланди. Қаралди: 2023-05-28.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]