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¿Cómo visualizo un átomo?

He buscado y buscado, oh cómo he buscado.

Estoy buscando una visualización tridimensional de un átomo completo, uno que incluya toda la geometría orbital. Una vista "capas" adecuada de los orbitales.

Lo que no estoy buscando:

  • Geometría orbital individual.
  • Una "imagen" de un átomo (es decir, lo que parece estática de televisión para mí).
  • Pequeñas esferas.
  • Diagramas de puntos y cruces.

Creo que entiendo que esto no puede expresarse solo en una imagen, así que espero descubrir un software, o una colección de imágenes, que pueda ayudar a expresar esto. ¿Quizás algo similar a una vista explotada, para átomos?

Por favor. El universo es extraño y quiero ver.

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Los comentarios no son para discusiones prolongadas; esta conversación ha sido trasladada a un chat.

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Swinders Puntos 1042

He buscado y buscado, oh cómo he buscado.

¿Sabes lo que siempre le digo a mi mamá cuando me pide que encuentre algo en Internet que ella no pudo encontrar por sí misma? Le pregunto: "¿Estás seguro de que lo que buscas incluso existe?"

Estoy buscando una visualización tridimensional de un átomo completo (moderadamente complejo, hidrógeno es sólo una esfera) que incluya geometría orbital tridimensional.

  1. El átomo de hidrógeno no es "sólo una esfera".
  2. No hay órbitas. En resumen, excepto para sistemas de un solo electrón (como el átomo de hidrógeno), la descripción orbital es solo un modelo aproximado de la realidad.
  3. Generalmente, cuando alguien pide visualizar un objeto físico, quiere visualizar sus "límites" físicos con respecto a algún medio. La noción de tal "límite" simplemente pierde su significado en el mundo microscópico: los átomos no tienen "límites" como los objetos macroscópicos.

Por favor. El universo es extraño y quiero verlo.

Lo siento, pero no puedes hacerlo: no puedes visualizar algunas cosas en el Universo, ni siquiera puedes imaginarlas. Nuestras habilidades de visualización e imaginación (a diferencia de un átomo) tienen ciertos límites, porque se basan en última instancia en nuestros sentidos que a su vez tienen sus límites.

Como dijo Paul Dirac al respecto:

[...] el objetivo principal de la ciencia física no es proveer imágenes, sino formular leyes que rijan los fenómenos y aplicar estas leyes al descubrimiento de nuevos fenómenos. Si una imagen existe, mucho mejor; pero si existe o no una imagen es una cuestión de importancia secundaria. En el caso de los fenómenos atómicos, no se puede esperar que exista una imagen en el sentido usual de la palabra 'imagen', por la que se entiende un modelo que funciona esencialmente de manera clásica. Sin embargo, uno puede extender el significado de la palabra 'imagen' para incluir cualquier forma de mirar las leyes fundamentales que haga evidente su autoconsistencia. Con esta extensión, uno puede adquirir gradualmente una imagen de los fenómenos atómicos al familiarizarse con las leyes de la teoría cuántica.

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Si algo, incluso la descripción usual del átomo de hidrógeno, es simplemente un modelo aproximado de la realidad. Descuida toda la serie de efectos de QED y QCD e incluso la simple dependencia relativista de la energía de la partícula en su momento.

11 votos

La última frase de la cita es lo que realmente importa. Esta es una gran pregunta, específicamente porque da una respuesta loca. La respuesta nunca puede ser, "aquí tienes un enlace". La respuesta real es, "¡Felicidades, tu pregunta indica que estás listo para aprender mecánica cuántica! Entonces entenderás por qué no puedes tener tu bonita imagen en 3D. ¡Y, oh hombre, es genial!"

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@ericksonla, estoy de acuerdo. No hay nada deprimente por ahí. Al contrario, el Universo sería un lugar aburrido si pudiéramos visualizar/imaginar todo en él. :D

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Raoul Puntos 1113

Estoy buscando una visualización tridimensional de un átomo entero (moderadamente complejo, el hidrógeno es solo una esfera) que incluya geometría orbital tridimensional.

3 dimensiones solo son suficientes para representar la función de densidad de probabilidad del hidrógeno. Dado que el origen es la ubicación del núcleo, cada punto en el espacio tridimensional tendrá una densidad de probabilidad correspondiente de que el electrón esté en ese punto.

Para el helio, se necesitarían 6 dimensiones para representar la densidad de probabilidad. Esto se debe a que para cada par de puntos en los que se encuentran el núcleo y el primer electrón, cada punto en el espacio tridimensional estará asociado con una densidad de probabilidad para el segundo electrón. Entendiendo esto, recomendaría las figuras en Densidad de partículas: Movimiento correlacionado de electrones como el próximo paso en la visualización de un átomo más allá del hidrógeno.

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Sébastien D. Puntos 61

De hecho, a pesar de la respuesta que aceptaste, estos orbitales se pueden visualizar. La forma en que se hace esto es trazando una isosuperficie de la densidad de probabilidad. Es decir, se puede visualizar una superficie de probabilidad constante alrededor del núcleo.

Lo extraño es que no hay una manera única de visualizar los orbitales en la molécula. La forma en que elijas visualizar los orbitales dependerá del tipo de comprensión química que desees tener.

Recomiendo software como Avogadro para visualizar moléculas.

4 votos

Esto ya ha sido mencionado en varias formas en la pregunta, comentarios y respuestas, y en realidad no responde la pregunta del OP. Si tienes algo nuevo que agregar a la respuesta, por favor edítalo.

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@bon No estoy de acuerdo. Nadie ha sugerido trazar una isosuperficie, que es la forma predeterminada en que los químicos eligen visualizar los orbitales. Además, nadie ha sugerido un software capaz de visualizar los orbitales. Tampoco nadie ha mencionado que una representación orbital dada no es única.

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@olliepower Yo leería este comentario de la forma en que bon sugirió.

7voto

Tim Puntos 21

Los orbitales son solo funciones matemáticas que aproximan el estado cuántico de un electrón. No solo los orbitales no representan visualmente a los átomos, sino que los orbitales no tienen existencia física, son solo objetos matemáticos.

Para realmente visualizar átomos tenemos que usar alguna definición topológica de átomo que utilice la densidad electrónica $\rho$, y luego graficar esta densidad en 3D utilizando algún software computacional.

Una definición topológica de átomo es como una región del espacio real limitada por superficies a través de las cuales hay un flujo nulo en el campo vectorial de gradiente de la densidad electrónica. Así, una superficie atómica satisface la condición de frontera de "flujo nulo" para cada punto $\mathbf{r}_s$ en la superficie atómica

$$\nabla \rho(\mathbf{r}_s) \cdot \mathbf{n}(\mathbf{r}_s) = 0$$

y donde $\mathbf{n}(\mathbf{r}_s)$ es el vector unitario normal a la superficie.

La forma de un átomo libre está bien representada por simetría esférica, pero los átomos en las moléculas tienen formas muy diferentes. Incluso el mismo tipo de átomo puede tener formas y volúmenes diferentes (y por lo tanto diferentes propiedades físicas y químicas) en diferentes moléculas. Algunos ejemplos para moléculas pequeñas (puedes verificar, por ejemplo, cómo los átomos de H tienen formas y volúmenes diferentes en diferentes moléculas)

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Michael Fey Puntos 873

Ya hay respuestas suficientes a tu pregunta. Pero también quiero compartir mi opinión ;) . Pre-nota: Orbital no significa electrón, lo que puedes visualizar es simplemente donde probablemente se encontrará, que es básicamente un orbital.

En primer lugar, no puedes visualizar un orbital porque tiene 3 variables independientes (solo en el caso de un átomo similar al hidrógeno, para otros átomos con 2 o más electrones es mayor a 3), para visualizarlo necesitas una visión 4-D, lo cual definitivamente no es posible. Pero puedes visualizar una parte de él, como el 99%, usando sombras. Donde es más probable que se encuentre lo puedes hacer más oscuro, o donde es menos probable encontrarlo déjalo blanco.

órbitas 1s

Orbital 1s

Orbital 2s Orbital 2s

Orbital 2pOrbital 2p

Hay otra forma pero no se ve bien, la forma es que encerramos algunos volúmenes consecutivos para describir la densidad de probabilidad para encontrar electrones en el volumen respectivo (algo así como capas) (La imagen de la derecha es el plano de contorno, la de la izquierda es la misma que arriba).
inserte descripción de la imagen aquí

Si te mueves en cualquier línea, te encontrarás en un área donde la densidad de probabilidad es la misma. Estos se llaman isosuperficies. Pueden ser muy elegantes, agradables de visualizar. Aquí hay algunas Superficies de Contorno Isos de algunos orbitales. Precaución: Ninguna de estas imágenes muestra imágenes de orbitales, solo son Superficies de Contorno. (En muchos libros estas imágenes se refieren a imágenes de orbitales sin ninguna aclaración, lo cual puede ser engañoso). inserte descripción de la imagen aquí inserte descripción de la imagen aquí

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