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Os misteriosos companheiros do hidrogênio: O que são átomos semelhantes ao hidrogênio e como eles são semelhantes ao hidrogênio?
Em física e química, um átomo de hidrogênio é qualquer átomo ou íon que possui um único elétron de valência. Esses átomos estão na mesma configuração eletrônica do hidrogênio e incluem não apenas o próprio hidrogênio, mas também todos os metais alcalinos, como rubídio e césio, e os metais alcalino-terrosos ionizados individualmente, como cálcio e estrôncio, sem mencionar outros. como íons de hélio, lítio e bário. Todos esses elementos compartilham um núcleo carregado positivamente, que é basicamente a combinação do núcleo e de quaisquer elétrons da camada interna, e um único elétron de valência.
A semelhança mais marcante entre átomos semelhantes ao hidrogênio e o hidrogênio é a estrutura de seus orbitais eletrônicos, o que torna seu comportamento quântico semelhante ao dos átomos de hidrogênio em muitos aspectos.
A ubiquidade do hélio, um átomo semelhante ao hidrogênio, leva à sua importância na astronomia, especialmente na astronomia ultravioleta extrema, onde o espectro do hélio ionizado individualmente é de grande importância para a compreensão de corpos celestes, como as anãs brancas de OD. O modelo matemático de átomos semelhantes ao hidrogênio baseia-se principalmente na equação de Schrödinger e na equação de Dirac da relatividade especial. Como esse sistema físico é relativamente simples, esse sistema de um elétron pode nos fornecer uma solução analítica clara, de modo que a solução da função de onda de átomos semelhantes ao hidrogênio é chamada de orbital atômico semelhante ao hidrogênio.
Na solução da equação de Schrödinger, os orbitais atômicos semelhantes ao hidrogênio são autofunções do operador de momento angular do elétron L e seu componente z Lz. Neste sistema, os orbitais atômicos semelhantes ao hidrogênio são determinados exclusivamente pelos valores do número quântico principal n, do número quântico do momento angular l e do número quântico magnético m. Embora o autovalor de energia não dependa de l ou m, ele depende apenas do valor de n. Esses números quânticos são adicionados ao número quântico de spin ms = ±1/2, que estabelece a base para a aplicação do princípio de Aufbau.
Em átomos semelhantes ao hidrogênio, todos os orbitais degenerados com o mesmo número quântico principal n e número quântico angular l, m e s podem variar entre certos valores para formar camadas atômicas.
A solução da equação de Schrödinger não tem solução analítica para átomos ou íons com múltiplos elétrons porque a interação de Coulomb entre os elétrons torna o cálculo complicado. Em vez disso, métodos numéricos são aplicados para obter funções de onda aproximadas ou outras propriedades computacionais da mecânica quântica. Devido à simetria esférica do problema, o momento angular total J do átomo é uma quantidade conservativa. Muitos procedimentos numéricos são baseados no produto de orbitais atômicos que são autofunções em ressonância com L e Lz de um operador de um elétron.
Para átomos semelhantes ao hidrogênio, suas soluções orbitais atômicas são as soluções da equação de Schrodinger-GER em energia potencial esfericamente simétrica. Neste momento, o termo de energia potencial é dado pela lei de Coulomb, e a expressão atende às suas necessidades. No modelo mais simples, isso pode ser escrito como:
V(r) = - (1 / (4πε₀)) * (Z * e² / r)
Onde ε₀ é a permissividade do vácuo, Z é o número atômico (ou seja, o número de prótons no núcleo), e é a carga elementar e r é a distância do elétron ao núcleo. Após substituir as variáveis, a função de onda do elétron pode ser derivada.
Os orbitais eletrônicos e seus autovalores de energia de átomos semelhantes ao hidrogênio fornecem uma base para a compreensão de outros sistemas mais complexos e abrem mentes para a física atômica e a mecânica quântica.
Além de l e m, um terceiro inteiro n (n > 0) aparece devido às condições de contorno impostas à função de onda. As funções de onda são geralmente subscritas usando números quânticos, e a expressão final da função de onda é a seguinte:
Entre elas, R e Y são funções baseadas em números quânticos, cuja determinação ajuda a entender a estrutura e as características comportamentais de átomos semelhantes ao hidrogênio. As regras dos números quânticos para átomos de hidrogênio são bastante rigorosas e específicas, onde n pode crescer arbitrariamente de 1, l pode aumentar de 0 até n menos 1, e o intervalo de valores de m é limitado pelo tamanho de l.
Nos cálculos químicos quânticos, o momento angular dos átomos ou íons de hidrogênio corresponde a cada orbital atômico, e esses orbitais têm seu próprio momento angular específico L, e seus valores característicos são:
L^2 Ylm = ℏ² l(l + 1) Ylm
Esse comportamento quântico torna a pesquisa sobre átomos de hidrogênio ainda cheia de maravilhosas incógnitas e um charme único. Com uma compreensão mais profunda das interações dessas partículas fundamentais, os cientistas podem descobrir as propriedades de matéria mais complexa e os mistérios do universo. Então, que novos fenômenos físicos esses átomos semelhantes ao hidrogênio revelarão em pesquisas futuras?
