Ein Wasserstoffatom ist ein Atom des chemischen Element-Wasserstoffs. Das elektrisch neutrale Atom enthält ein einzelnes positiv beladenes Proton und ein einzelnes negativ beladenes Elektron, das zum Kern durch die Ampere-Sekunde-Kraft gebunden ist. Atomwasserstoff umfasst ungefähr 75 % der elementaren Masse des Weltalls. Im täglichen Leben auf der Erde sind isolierte Wasserstoffatome (gewöhnlich genannt "Atomwasserstoff") äußerst selten. Statt dessen neigt Wasserstoff dazu, sich mit anderen Atomen in Zusammensetzungen, oder mit sich zu verbinden, um gewöhnliches Wasserstoffbenzin, H. "Atomwasserstoff," und "Wasserstoffatom zu bilden," im gewöhnlichen englischen Gebrauch haben überlappende Bedeutungen. Zum Beispiel enthält ein Wassermolekül zwei Wasserstoffatome, aber enthält Atomwasserstoff nicht (der sich auf isolierte Wasserstoffatome beziehen würde).

Produktion und Reaktionsfähigkeit

Das H-H Band ist eine der stärksten Obligationen in der Chemie, mit einer Band-Trennung enthalpy von 435.88 kJ/mol an 298 K. Demzufolge dieses starken Bandes trennt sich H in nur einem geringen Ausmaß bis zu höheren Temperaturen ab. An 3000K ist der Grad der Trennung nur 7.85 %:

:H 2 H

H Atome sind so reaktiv, dass sie sich mit fast allen Elementen verbinden.

Isotope

Das reichlichste Isotop, Wasserstoff 1, protium, oder leichter Wasserstoff, enthält keine Neutronen; andere Isotope von Wasserstoff, wie schwerer Wasserstoff, enthalten ein oder mehr Neutronen. Die Formeln sind unten für alle drei Isotope von Wasserstoff gültig, aber ein bisschen verschiedene Werte von Rydberg unveränderlich (Korrektur-Formel, die unten gegeben ist), müssen für jedes Wasserstoffisotop verwendet werden.

Quant theoretische Analyse

Das Wasserstoffatom hat spezielle Bedeutung in der Quant-Mechanik und Quant-Feldtheorie als ein einfaches Zwei-Körper-Problem physisches System, das viele einfache analytische Lösungen in der geschlossenen Form nachgegeben hat.

1914 hat Niels Bohr die geisterhaften Frequenzen des Wasserstoffatoms nach dem Bilden mehrerer Vereinfachungsannahmen erhalten. Diese Annahmen, die Ecksteine des Modells von Bohr, waren nicht völlig richtig, aber haben wirklich die richtigen Energieantworten nachgegeben. Die Ergebnisse von Bohr für die Frequenzen und zu Grunde liegenden Energiewerte wurden durch die volle mit dem Quant mechanische Analyse bestätigt, die die Gleichung von Schrödinger verwendet, wie in 1925-1926 gezeigt wurde. Die Lösung der Gleichung von Schrödinger für Wasserstoff ist analytisch. Davon, den Wasserstoffenergieniveaus und so können die Frequenzen der geisterhaften Wasserstofflinien berechnet werden. Die Lösung der Gleichung von Schrödinger geht viel weiter als das Modell von Bohr, weil es auch die Gestalt der Welle-Funktion des Elektrons nachgibt, die für die verschiedenen möglichen mit dem Quant mechanischen Staaten ("Augenhöhlen-") ist, so den anisotropic Charakter von Atomobligationen erklärend.

Die Gleichung von Schrödinger gilt auch für mehr komplizierte Atome und Moleküle. In den meisten solchen Fällen ist die Lösung nicht analytisch, und entweder Computerberechnungen sind notwendig oder vereinfachende Annahmen muss gemacht werden.

Lösung der Gleichung von Schrödinger: Übersicht von Ergebnissen

Die Lösung der Gleichung von Schrödinger (Wellengleichungen) für das Wasserstoffatom verwendet die Tatsache, dass das durch den Kern erzeugte Ampere-Sekunde-Potenzial isotropisch ist (es ist im Raum radial symmetrisch und hängt nur von der Entfernung zum Kern ab). Obwohl die resultierende Energie eigenfunctions (der orbitals) selbst nicht notwendigerweise isotropisch ist, folgt ihre Abhängigkeit von den winkeligen Koordinaten völlig allgemein von dieser Isotropie des zu Grunde liegenden Potenzials: Der eigenstates von Hamiltonian (d. h. die Energie eigenstates) kann als gleichzeitiger eigenstates des winkeligen Schwung-Maschinenbedieners gewählt werden. Das entspricht der Tatsache, dass winkeliger Schwung in der Augenhöhlenbewegung des Elektrons um den Kern erhalten wird. Deshalb kann die Energie eigenstates durch zwei winkelige Schwung-Quantenzahlen,  und M klassifiziert werden (beide sind ganze Zahlen). Die winkelige Schwung-Quantenzahl bestimmt den Umfang des winkeligen Schwungs. Die magnetische Quantenzahl bestimmt den Vorsprung des winkeligen Schwungs auf (willkürlich gewählt) Z-Achse.

Zusätzlich zu mathematischen Ausdrücken für den winkeligen Gesamtschwung und winkeligen Schwung-Vorsprung von wavefunctions muss ein Ausdruck für die radiale Abhängigkeit der Welle-Funktionen gefunden werden. Es ist nur hier, in den die Details des 1/r Ampere-Sekunde-Potenzials (das Führen zu Polynomen von Laguerre in r) eingehen. Das führt zu einer dritten Quantenzahl, der Hauptquantenzahl. Die Hauptquantenzahl in Wasserstoff ist mit der Gesamtenergie des Atoms verbunden.

Bemerken Sie, dass der maximale Wert der winkeligen Schwung-Quantenzahl durch die Hauptquantenzahl beschränkt wird: Es kann nur bis zu n  1 laufen, d. h.

Wegen der winkeligen Schwung-Bewahrung haben Staaten desselben , aber verschiedener M dieselbe Energie (das hält für alle Probleme mit der Rotationssymmetrie). Außerdem, für das Wasserstoffatom, sind Staaten desselben n, aber verschiedenen  auch degeneriert (d. h. sie haben dieselbe Energie). Jedoch ist das ein spezifisches Eigentum von Wasserstoff und ist für mehr komplizierte Atome nicht mehr wahr, die ein (wirksames) Potenzial haben, das sich von der Form 1/r (wegen der Anwesenheit der inneren Elektronen unterscheidet, die das Kern-Potenzial beschirmen).

Die Drehung des Elektrons in Betracht zu ziehen, fügt eine letzte Quantenzahl, den Vorsprung der Drehung des Elektrons winkeliger Schwung entlang der Z-Achse hinzu, die zwei Werte übernehmen kann. Deshalb wird jeder eigenstate des Elektrons im Wasserstoffatom völlig durch vier Quantenzahlen beschrieben. Gemäß den üblichen Regeln der Quant-Mechanik kann der Ist-Zustand des Elektrons jede Überlagerung dieser Staaten sein. Das erklärt auch, warum die Wahl der Z-Achse für den gerichteten quantization des winkeligen Schwung-Vektoren immateriell ist: ein Augenhöhlen-von gegebenem  und m′ erhalten für eine andere bevorzugte Achse z′ kann immer als eine passende Überlagerung der verschiedenen Staaten der verschiedenen M vertreten werden (aber derselbe l), die für z erhalten worden sind.

Alternativen zur Theorie von Schrödinger

Auf der Sprache der Matrixmechanik von Heisenberg wurde das Wasserstoffatom zuerst von Wolfgang Pauli gelöst, der eine Rotationssymmetrie in vier Dimension [O (4) - Symmetrie] erzeugt durch den winkeligen Schwung verwendet

und der Laplace-Runge-Lenz Vektor. Durch das Verlängern der Symmetrie-Gruppe O (4) zur dynamischen Gruppe O (4,2),

das komplette Spektrum und alle Übergänge wurden in einer einzelnen nicht zu vereinfachenden Gruppendarstellung eingebettet.

1979 (nicht relativistisch) wurde Wasserstoffatom zum ersten Mal innerhalb des Pfads von Feynman integrierte Formulierung gelöst

der Quant-Mechanik. Diese Arbeit hat außerordentlich die Reihe der Anwendbarkeit der Methode von Feynman erweitert.

Mathematische Zusammenfassung von eigenstates des Wasserstoffatoms

Energieniveaus

Die Energieniveaus von Wasserstoff, einschließlich der Feinstruktur, werden durch gegeben

::

wo α die unveränderliche Feinstruktur ist und j eine Zahl ist, die der winkelige Gesamtschwung eigenvalue ist; d. h. abhängig von der Richtung der Elektrondrehung. Die Menge in eckigen Klammern entsteht aus dem relativistischen (Drehungsbahn) Kopplungswechselwirkungen (wie weiter beschrieben, unten in der Abteilung betitelt "Eigenschaften, die die Lösung von Schrödinger" übertreffen).

Der Wert von 13.6 eV wird Rydberg unveränderlich genannt und kann vom Modell von Bohr gefunden werden, und wird durch gegeben

wo M die Masse des Elektrons ist, ist q die Anklage des Elektrons, h ist der Planck unveränderlich, und ε ist das Vakuum permittivity.

Die Rydberg Konstante wird mit der Feinstruktur verbunden, die durch die Beziehung unveränderlich

Diese Konstante wird häufig in der Atomphysik in der Form der Einheit von Rydberg der Energie verwendet:

:

Der genaue Wert von Rydberg, der oben unveränderlich ist, nimmt an, dass der Kern in Bezug auf das Elektron ungeheuer massiv ist. Für Wasserstoff 1 Wasserstoff 2 (schwerer Wasserstoff) und Wasserstoff 3 (Tritium) muss die Konstante ein bisschen modifiziert werden, um die reduzierte Masse des Systems, aber nicht einfach die Masse des Elektrons zu verwenden. Jedoch, da der Kern viel schwerer ist als das Elektron, sind die Werte fast dasselbe. Durch den Rydberg unveränderlichen R für ein Wasserstoffatom (ein Elektron), R wird gegeben:

wo die Rest-Masse des Elektrons ist, und M die Masse des Atomkerns ist. Für Wasserstoff 1 ist die Menge über 1/1836, das Verhältnis-Elektron zur Protonenmasse widerspiegelnd. Für schweren Wasserstoff und Tritium sind die Zahlen über 1/3670 und 1/5497 beziehungsweise. Diese Zahlen, wenn hinzugefügt, zu 1 im Nenner, vertreten sehr kleine Korrekturen im Wert von R, und so nur kleine Korrekturen zu allen Energieniveaus in entsprechenden Wasserstoffisotopen.

Wavefunction

Die normalisierte Position wavefunctions, gegeben in kugelförmigen Koordinaten ist:

: