Nella definizione di una shell s, troverai che il suo numero $ \ ell $ è zero. In termini classici, ciò corrisponde a un'orbita con momento orbitale o angolare nullo, cosa che per un oggetto di grandi dimensioni è una chiara impossibilità. Per un elettrone, dà il risultato peculiare che qualsiasi elettrone in qualsiasi shell s si muove, classicamente parlando, avanti e indietro attraverso il nucleo, piuttosto che attorno ad esso. Quindi, in un senso curioso, quello che hai appena chiesto è esattamente cosa succede: l'analogia classica è che gli elettroni passano attraverso il nucleo, motivo per cui hanno una simmetria sferica così bella.

La seconda parte La risposta, tuttavia, è che gli elettroni non possono attraversare il nucleo a meno che non siano enormemente più energetici di quelli che si trovano in un tipico atomo di piccolo nucleo. Chiaramente c'è un po 'di paradosso in atto!

La risoluzione del paradosso è che le particelle cariche di massa molto bassa devono essere trattate con regole quantistiche. Quindi, ad esempio, piuttosto che l'elettrone si comporta come una particella ben definita, si comporta come un'onda stazionaria. Quell'onda stazionaria può a sua volta essere pensata come due versioni simultanee dell'elettrone, una (per esempio) in senso orario e l'altra in senso antiorario. (La situazione reale ha un numero infinito di tali componenti; ne scelgo solo un paio che dimostrano il principio.)

Ciascuno di questi componenti può inoltre essere pensato come rifratto dal potente campo di carica sferica del nucleo, curvandosi attorno ad esso senza che nessuno lo colpisca. Questa rifrazione non è la stessa cosa di un'attrazione. In effetti, è questo effetto di rifrazione che impedisce alla densità della nuvola di elettroni di raggiungere l'infinito nel nucleo, cioè di colpire il nucleo. Se pensi a come un serbatoio d'acqua può far rimbalzare un raggio di luce sulla superficie invece di entrare nel serbatoio - e questa è una terribile analogia, lo so, lo so - puoi almeno avere un'idea di come un aumento " densità ottica "verso un punto centrale potrebbe tenere lontana la luce piuttosto che avvicinarla.

Quindi, per un elettrone che si comporta" come "due onde che vanno sia in senso orario che antiorario, le onde combinate si curvano attorno al nucleo invece che colpendolo. Questo è un tipo di evento molto quantistico, poiché per un oggetto classico tale "scissione" dell'oggetto è semplicemente impossibile e l'oggetto si tuffa semplicemente direttamente nella fonte di attrazione. Ma se gli oggetti sono abbastanza leggeri, quel tipo di comportamento simile a una particella cessa semplicemente di essere disponibile per l'oggetto. Invece, ottieni onde che curano in modo ordinato e con perfetta simmetria sferica attorno al nucleo, senza mai ottenere abbastanza energia (che lo rende più simile a una particella) per connettersi direttamente con quel nucleo.

Infine, nota che gli elettroni in s (e altre) shell combinano necessariamente più percorsi tutti allo stesso tempo. Per ogni "immagine" dell'elettrone che sta viaggiando in senso orario, deve esserci anche una "immagine" di bilanciamento esattamente dello stesso elettrone che viaggia in senso antiorario, in modo che le due immagini si equilibrino sempre fino a zero momento orbitale. Che cosa meravigliosa! E anche una cosa importante, poiché è ciò che rende possibile la chimica.

Quindi, bella domanda, anche se in realtà è più una questione di fisica in sé che una domanda di chimica. Ma è una domanda di chimica così importante! È come chiedere come funziona il motore che alimenta l'auto. Puoi accettare come un dato di fatto che tutte le auto ei veicoli hanno motori e che funzionano tutti in un certo modo. Tuttavia, a volte è bello immergersi un po 'più a fondo e cercare di capire perché queste cose peculiari fanno le cose che rendono possibile la chimica, ovvero come funziona davvero il motore.

Gli elettroni possono essere considerati sia particelle che onde ( wiki). Fondamentalmente, considerare gli elettroni come particelle non è sufficiente per spiegare molti dei fenomeni osservati.

In questo caso, una particella non passerebbe realmente attraverso il nucleo, ma un'onda certamente potrebbe. Prendiamo, ad esempio, l'orbitale 2p, che è centrato attorno al nucleo con due lobi. La funzione d'onda ci consente di visualizzare dove è più probabile che si trovi un elettrone: (da PSU.edu)

La densità di probabilità si trova al quadrato della funzione d'onda e il PDF mostra dove è probabile che l'elettrone venga osservato:

(scusate per le piccole dimensioni)

Quindi da questo diagramma, c'è probabilità 0 di osservare effettivamente un elettrone nel nucleo sebbene l'elettrone debba passare attraverso il nucleo da un lato all'altro, il che arriva al cuore della tua domanda. Il PDF si occupa principalmente della natura particellare dell'elettrone, perché mostra dove è probabile che ne osservi uno. Quando l'elettrone presenta caratteristiche ondulatorie, tuttavia, può passare attraverso il nucleo senza esservi effettivamente trovato.

La migliore analogia che posso dare è che se agiti una corda per saltare su e giù, non puoi davvero isolare l'onda nella corda per saltare, ma è ancora chiaramente lì. Per farla breve, una particella non passa attraverso il nucleo, ma un'onda può e lo fa.

Gli orbitali $ \ mathrm {p} $ , ad esempio, hanno un piano nodale dove si trova il nucleo, il che significa che la densità elettronica è zero lì.

Un orbitale non rappresenta un percorso che gli elettroni prendono quando si muovono. Un orbitale è una regione di probabilità. Per rendere le cose chiare e definite, quando disegniamo un orbitale disegniamo solo la regione in cui si trova il 95% (ad esempio) della probabilità. Il fatto che gli orbitali $ \ mathrm {p} $ abbiano un piano nodale significa semplicemente che la probabilità di trovare un elettrone su quel piano svanisce.

Un positivista considererebbe quindi priva di senso la traiettoria di un elettrone attorno a un nucleo, poiché in base al principio di indeterminazione, non possiamo mai misurarla.

L'uso degli orbitali è per visualizzare la densità elettronica - dove può essere l'elettrone, il più delle volte? È un modo molto utile di interpretare fenomeni come la reattività chimica (si pensi a $ \ mathrm {S_N2} $ ) o la stabilità (si pensi alla $ \ mathrm {p} $ orbitali).

Ricorda, gli orbitali non mostrano dove sono gli elettroni, ma mostrano la densità di probabilità di dove una misurazione li troverebbe. Probabilmente, su una scala abbastanza vicina al nucleo (dove la probabilità che l'elettrone sia estremamente piccola all'inizio, la funzione d'onda effettiva dell'elettrone è influenzata dal nucleo in modo tale che non possono sovrapporsi o la possibilità è pari) più incredibilmente piccolo.

Sono un po 'arrugginito, ma credo che ogni orbitale, tranne l'1, abbia comunque un nodo in corrispondenza o su un piano attraverso il nucleo.

Una risposta un po 'rigorosa qui. Questa è stata la spiegazione che ho ricevuto a scuola.

Il principio di incertezza di Heisenberg afferma che $$ \ Delta x \ Delta v \ ge \ frac h {4 \ pi m } $$

Ora, il nucleo ha un raggio nell'ordine di $ 10 ^ {- 15} $ m. Ciò significa che affinché un elettrone esista all'interno del nucleo, $ \ Delta x $ deve trovarsi entro $ 2 \ times 10 ^ {-15} $ m. Sostituendo i valori e assumendo l'uguaglianza come caso limite, otteniamo $$ \ Delta v = \ frac h {4 \ pi m \ Delta x} = \ frac {6.626 \ times 10 ^ {-34}} {4 \ pi \ times 9.1 \ times 10 ^ {- 31} \ times 2 \ times 10 ^ {15}} \ circa 2,89 \ volte 10 ^ {10} $$

Che è circa 100 volte la velocità della luce. Ciò è impossibile, quindi per assurdo vediamo che un elettrone non può esistere all'interno del nucleo .

Per un approccio matematico più rigoroso, il nucleo può essere assunto come una sfera (qui, ho assunto che sia più un percorso unidimensionale). Puoi quindi sostituire $ \ Delta x $ con $ \ Delta \ vec r $ e valutare il principio di indeterminazione in tre dimensioni utilizzando coordinate cartesiane o sferiche. Si otterrebbe una risposta simile anche in questi casi