¿Qué es un átomo "similar al hidrógeno" o "hidrógeno"?

Question

Estoy estudiando algo de química por mi cuenta en previsión del nuevo año escolar y en mi libro, me encontré con la ecuación de Rydberg por primera vez. Trabajé con algunos ejemplos y todo estaba bien hasta que me encontré con este comentario en la pregunta, " Calcule la longitud de onda de la radiación liberada cuando un electrón pasa de n=5 a n=2 ":

Para futuras referencias: la fórmula de Rydberg sólo funciona para átomos similares al hidrógeno como el hidrógeno.

¿Qué se entiende por "tipo hidrógeno"? He oído que resolver sistemas multielectrónicos es (casi) imposible, así que entiendo por qué se utiliza el hidrógeno aquí, pero no entiendo qué es "similar al hidrógeno".

Answer 1

A átomo similar al hidrógeno (o ion) es simplemente cualquier partícula con un núcleo y un electrón.

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Esto debería ser suficiente para responder a la pregunta en cuestión, pero pensé que debía decir un poco más, ya que algunas de estas respuestas son potencialmente confusas.

El histórico La razón por la que la fórmula de Rydberg sólo funciona para los átomos similares al hidrógeno es porque fue formulada originalmente para explicar la líneas espectrales del hidrógeno . Nunca se pretendió explicar los espectros de los átomos multielectrónicos.

El físico La razón, sin embargo, es que la fórmula de Rydberg utiliza niveles de energía que sólo dependen del número cuántico principal $n$ que tiene que ser un número entero positivo:

$$\bar{\nu} = Z^2\mathcal{R}\left(\frac{1}{n_1^2} - \frac{1}{n_2^2}\right) \qquad n_1,n_2 \in \mathbb{Z}^+$$

y hoy en día sabemos que esto sólo es cierto para los átomos similares al hidrógeno; $^*$ los niveles de energía de los átomos multielectrónicos dependen tanto de $n$ y $l$ . $^\dagger$

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El $n$ -dependencia fue posteriormente racionalizado con éxito por el modelo de Bohr, pero decir que "la fórmula de Rydberg sólo funciona para los átomos parecidos al hidrógeno porque el modelo de Bohr sólo funciona para ellos" es engañoso y no tiene sentido, ya que:

1. Esto implica que la fórmula de Rydberg se derivó del modelo de Bohr, lo cual no es cierto; simplemente se determinó empíricamente, y la fórmula fue anterior al modelo de Bohr en 25 años.
2. El modelo de Bohr simplemente no funcionan para los átomos parecidos al hidrógeno. El hecho de que reproduzca la fórmula de Rydberg debe considerarse simplemente una serendipia Bohr llegó al resultado correcto por el método equivocado.
3. No da ninguna idea real de la razón adecuada por la que la fórmula de Rydberg no se aplica al helio, etc. (que ya he mencionado brevemente).

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$^*$ De hecho, los niveles de energía del hidrógeno no sólo dependen de $n$ (debido a varios efectos pequeños como - pero no limitado a - el acoplamiento de espín-órbita, y la división hiperfina). La Wikipedia tiene una buena descripción del tema aquí y la mayoría de los libros de texto de QM tienen un capítulo sobre el átomo de hidrógeno, donde se discuten estas perturbaciones del Hamiltoniano y sus efectos en las energías. No es de extrañar que la incapacidad de explicar esto fuera uno de los fracasos del modelo de Bohr.

$^\dagger$ Por supuesto, aquí también hay una serie de aproximaciones. Los niveles de energía de los átomos multielectrónicos sólo se describen de forma aproximada mediante sumas de energías orbitales, por lo que las energías de transición sólo son aproximadamente iguales a una diferencia de energía entre dos orbitales.

Answer 2

En el espíritu del notable químico de la Universidad de Nottingham Sir Martyn Poliakoff El comentario de la Sra. G. en el Vídeos periódicos episodio Helio disfrazado (también YouTube ):

Una y otra vez, para los científicos, si escuchan algo sorprendente que les hace pensar de una manera diferente, es realmente bueno.

Me sumo a las otras excelentes respuestas enumerando algunas "átomos" menos comunes similares al hidrógeno .

El vídeo se trata de Hidrógeno pesado muónico o los llamados ${}^{4.1}H$ se discute al final de esta lista. Sí, se pronuncia "hidrógeno de cuatro puntos". Vea el artículo de New Scientist El disfraz atómico hace que el helio parezca hidrógeno y el artículo principal publicado en Science Efectos cinéticos de los isótopos en las reacciones del helio muónico y el muonio con el H2 Fleming, D. G. et al. Science 28 Jan 2011: Vol. 331, Issue 6016, pp. 448-450, DOI: 10.1126/science.1199421

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Positronio : (e+e-)

El positronio (Ps) es un sistema formado por un electrón y su antipartículas , a positrón , unidas en un átomo exótico , en concreto un onio .

Tiene estados de Rydberg con $E_n \sim -(6.8eV)/n^2$ o la mitad de la del hidrógeno normal, porque la masa reducida es la mitad de la de un electrón unido a un elemento mucho más pesado. El triplete de mayor duración ${}^3S_1$ tiene un tiempo de vida medio de unos 142 ns, y decae por aniquilación de electrones y positrones en tres fotones de rayos gamma. A veces se estudia ralentizando y deteniendo positrones en polvo de MgO, donde capturan un electrón y tienden a permanecer relativamente inalterados por los otros átomos.

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Muonium : (μ+e-)

El muonio es un átomo exótico compuesto por un antimonio y un electrón que se descubrió en 1960 y se le da el símbolo químico Mu . Durante el tiempo de vida del muón, de 2,2 µs, el muonio puede entrar en compuestos como el cloruro de muonio (MuCl) o el muónido de sodio (NaMu). Debido a la diferencia de masa entre el antimuón y el electrón, el muonio (μ+e-) es más parecido a hidrógeno atómico (p+e-) que positronio (e+e-). Su Radio de Bohr y la energía de ionización están dentro del 0,5% del hidrógeno, el deuterio y el tritio, por lo que puede ser considerado como un isótopo ligero exótico del hidrógeno .

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Verdadero Muonium : (μ+μ-)

Verdadero muonium o muononium es un átomo exótico formado por un antimonio y un muón . Todavía no se ha observado, pero puede haberse generado en la colisión de haces de electrones y positrones.

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Hidrógeno muónico :

Sin embargo, los muones negativos pueden formar átomos muónicos (antes llamados átomos muónicos), al sustituir un electrón en los átomos ordinarios. Los átomos de hidrógeno muónico son mucho más pequeños que los átomos de hidrógeno típicos, ya que la masa mucho mayor del muón le confiere una función de onda en estado básico mucho más localizada que la observada para el electrón.

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Helio muónico :

El helio muónico se crea sustituyendo uno de los electrones del helio-4 por un muón. El muón orbita mucho más cerca del núcleo, por lo que el helio muónico puede considerarse como un isótopo del helio cuyo núcleo está formado por dos neutrones, dos protones y un muón, con un solo electrón fuera. Coloquialmente, podría llamarse "helio 4,1", ya que la masa del muón es ligeramente superior a 0,1 amu. Químicamente, el helio muónico, al poseer un electrón de valencia no apareado, puede enlazarse con otros átomos y se comporta más como un átomo de hidrógeno que como un átomo de helio inerte.

Los átomos de hidrógeno pesado muónico con un muón negativo pueden sufrir una fusión nuclear en el proceso de fusión catalizada por muones Después, el muón puede abandonar el nuevo átomo para inducir la fusión en otra molécula de hidrógeno. Este proceso continúa hasta que el muón negativo es atrapado por un átomo de helio, y no puede salir hasta que decaiga.

arriba: Desde Nueva Ciencia .

Answer 3

Los átomos similares al hidrógeno son átomos con un solo electrón "orbitando" un núcleo que tiene más de un nucleón. Como señaló @Xerxes en un comentario, en principio se puede tener un núcleo formado por partículas distintas de los protones y los neutrones (nucleones). Positronio podría ser un ejemplo extremo de esto.

La Wikipedia tiene una entrada sobre Átomos similares al hidrógeno que va un poco más allá de lo que has preguntado.

Answer 4

Los iones similares al hidrógeno son iones que poseen un solo electrón, al igual que el átomo de hidrógeno.

El hecho de que estos iones sólo tengan un ion en la capa más externa hace más sencillo el análisis de sus radios y energías, ya que se puede utilizar un modelo electrostático simple para describirlos. Las especies que tienen múltiples electrones son difíciles de estudiar y están fuera del alcance del modelo de Bohr. Ello se debe a que las replusiones interelectrónicas son difíciles de contabilizar en las interacciones electrodinámicas que conforman el sistema de enlace del átomo.

Answer 5

Creo que un aspecto clave que se pasa por alto en estas respuestas es la aproximación Born-Oppenheimer. El núcleo de cualquier átomo se puede aproximar como un punto con muy poca corrección relativista debido a su masa. Un electrón en cambio no tiene masa (comparativamente hablando, ya sé que sigue siendo un fermión y tiene masa). Una vez que pones más de un electrón en cualquier orbital esas correcciones relativistas tienen consecuencias. Así que ''parecido al hidrógeno'' significa cualquier átomo que no necesite la visión de Pauli o Dirac para explicar las desviaciones en los espectros, es decir, el modelo de Bohr.