by 
Στα φροντιστηριακά βιβλία υπάρχει ένα λάθος που λέει οτι οι ετεροπολικοί δεσμοί είναι ηλεκτροστατικής φύσης, ενώ οι ομοιοπολικοί ηλεκτρομαγνητικής. Όμως και οι ομοιοπολικοί είναι ηλεκτροστατικής φύσης γιατί οι μαγνητικές δυνάμεις είναι αμελητέες σχετικά με τις ηλεκτροστατικές και δεν οδηγούν σε δεσμό. Αυτό που οδηγεί σε δεσμό είναι οι δυνάμεις Coulomb μεταξύ πυρήνων και ηλεκτρονίων, μαζί με την απαγορευτική αρχή του Pauli που χρειάζεται αντιπαράλληλα σπίν. Έχω γράψει ένα άρθρο στο blog μου που το εξηγώ αναλυτικά με πηγές:
Η ηλεκτροστατική φύση του ομοιοπολικού δεσμού
Όταν το βιβλίο Φυσικής Γ λυκείου λέει το σπιν ιδιοπεριστροφή που οφείλεται στην κυκλική κίνηση και το παρουσιάζει στο κεφάλαιο της στροφορμής τι να περιμένουμε; Για την ιστορία έχει επισημανθεί σε μία από τις κοινότερες παρανοήσεις (miscoseptions) από την Αμερικανική Ένωση Δασκάλων Φυσικής (AAPT).
Το θέμα με το spin ως πραγματική περιστροφη του ηλεκτρονίου είναι ένα όντως παλιό misconception που έχει εξηγηθεί πολλές φορές.
Το θέμα είναι οτι ακόμα και με τη σωστή εξήγηση του σπίν ως κβαντομηχανική ιδιότητα, πάλι οδηγεί σε μαγνητικές δυνάμεις. Αυτές όμως είναι αμελητέες. Οπότε άλλο θέμα το ένα (σωστός ορισμός του σπιν) , και άλλο το δευτερο , δηλαδή μαγνητικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ κβαντομηχανικών σπιιν ηλεκτρονίων (εδώ έχουν οριστεί σωστά τα σπίν και όντως υπάρχουν αυτές οι αλληλεπιδράσεις) που είναι πάρα πολύ μικρες σε τάξη μεγέθους σε σχέση με τις ηλεκτροστατικές αρα δεν οφείλεται ο χημικός δεσμός σε αυτές.
Καλησπέρα
Συγχαρητήρια για την ανάρτηση αυτή.
Στην ανίχνευση των σκοτεινών σημείων της θεωρίας και τις διδακτικές διεξόδους μας … το ylikonet υστερεί. Έτσι το άρθρο αυτό απκτά μια ιδιαίτερη σημασία και ελπίδα για την κάλυψη και τέτοιων θεμάτων.
Ίσως θα άξιιζε κανείς για διδακτικούς λόγους να αναφερθεί στο πρώτο κλασικό παράδειγμα περιγραφής διατομικού δεσμού από τον Lenard-Jones. Η πρώτη αυτή μαθηματική περιγραφή μπορεί να στηρίχθηκε σε προσεγγίσεις με βάση εμπειρικά δεδομένα και για τις βραχύβειας εμβέλειας δυνάμεις και για τις ελκτικές δυνάμεις μεταξύ δυο ατόμων αλλά ποιοτικά ερμηνεύονται εύκολα με αναφορά ατην απαγορευτική αρχή του Πάουλι οι πρώτες και στις ηλ/στατικές dυνάμεις Λόντον οι δεύτερες ( γνωστά στους σημερινούς μαθητές της Γ Λυκείου ), Από την άλλη εύκολα μπορούμε να καταλήξουμε σε μια "επαλληλία" που οδηγεί σε πηγάδι με αρνητική ενέργεια σε αποστάσεις πυρήνων παραπλήσια εκείνης της διαμέτρου των ατόμων
και μια προσομοίωση της υπεραπλουστευμένης αυτής περιγραφής του 1925
: https://phet.colorado.edu/el/simulation/legacy/atomic-interactions
Από την άλλη μπορούμε να συνδυάσουμε τα παραπάνω με μια αναφορά ότι η επίλυση της εξίσωσης Σρέντιγκερ γίνεται σε πρώτο επίπεδο αντικαθιστώντας ως δυναμική ενέργεια μόνο ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις όπως πολύ σωστά αναπτύσσεις και καταλήγει σε εξισώσεις που περιγράφουν ηλεκτρονιακά νέφη όπως στις αναπαραστάσεις των μοριακών τροχιακών του βιβλίου Χημείας Γ Λυκείου
Η έκταση της ανάλυσης του κειμένου σου είναι η ελάχιστη για διδάσκοντες αλλά πολύ πάνω από τις αντοχές ενός μαθητή ή πρωτοετή φοιτητή.
Και πάλι συγχαρητήρια και ευχαριστούμε.
Ευχαριστώ και γώ πολύ για το πολύ χρήσιμο συμπληρωματικό σχόλιο και το feedback! Όντως την αναφορά αυτή για το δεσμό Lenard-Jones την είχα δει όταν το έψαχνα και για ένα πιο πλήρες άρθρο θα ταίριαζε απόλυτα. Επίσης για ιστορικούς ή εκπαιδευτικούς λόγους είναι σημαντική μιας και η εμπειρία και το πείραμα και τα μοντέλα που το περιγράφουν είναι η βάση της φυσικής-χημείας. Προσπάθησα όμως να κρατήσω μια σχετικά λιτή γραμμή για το λάθος κυρίως για καθηγητές λυκείου χωρίς να ξεφεύγω. Λεπτομερής κβαντομηχανική ανάλυση επειδή ανήκω σε άλλη κατεύθυνση (αστροφυσικής), είναι δύσκολη και την αφήνω σε λινκς ειδικών ή σε όσους ερευνητές ασχολούνται με μοριακή φυσική. Αλλά ακόμα και σε πιο απλό επίπεδο, το διαδίκτυο μας δίνει πλέον την ευκαιρία να ψάχνουμε πράγματα σε βάθος και να μην αφήνουμε λαθη να κυριαρχούν, ο καθένας μπορεί να γίνει ντετεκτιβ χρήσιμων πληροφοριών! Επειδή είναι πρώτο ποστ απο μένα στο ylikonet, δεν έχω κάποια άποψη για τις ελλέιψεις του, ευχαριστώ όμως που το δεχτήκατε!
Σωστός! Το Σπιν είναι εγγενής ιδιότητα που υπάρχει σχεδόν παντού και όχι ιδιοπεριστροφή.
Συμφωνώ με αυτό που λες, Ούτως ή άλλως έτσι το μάθαμε και στο πανεπιστήμιο στο 1ο έτος, δηλ. ως αποτέλεσμα είναι της έλξης των 2 ατόμων μέσω του κοινού ζεύγους των ηλεκτρονίων που έλκονται από τους πυρήνες, δηλαδή coulomb. Βέβαια το γεγονός ότι υπάρχει σύζευξη στροφορμών (σπιν, τροχιακών, κτλ.) αν θέλουμε τις βάζουμε και αυτές στη χαμιλτωνιανή ως έξτρα όρους, το θέμα είναι πόσο προσεγγιστικά θέλουμε να το λύσουμε και μέχρι πόσο αναλυτικοί μπορούμε να γίνουμε, ειδικά σε μη υδρογονοειδή άτομα.
1. Αν το σπιν οφειλόταν πράγματι σε περιστροφή του ηλεκτρονίου περί τον άξονά του, η ταχύτητα περιφοράς ενός σημείου στον ισημερινό του θα ήταν μεγαλύτερη – στην πραγματικότητα πολύ μεγαλύτερη – από την ταχύτητα του φωτός.
2. Αν δεχτούμε ξανά την κλασική εικόνα του σπιν ως ιδιοπεριστροφής, τότε θα πρέπει να περιμένουμε ότι, κατά τις συγκρούσεις των ηλεκτρονίων μεταξύ τους ή με άλλα σωματίδια, θα μπορούν να διεγερθούν ανώτερες καταστάσεις ιδιοπεριστροφής, οπότε τα ηλεκτρόνια θα έπρεπε να εμφανίζονται και με άλλες τιμές του κβαντικού αριθμού s πέραν της s=1/2. Το οποίο όμως δεν συμβαίνει ποτέ! Ο κβαντικός αριθμός του σπιν είναι παγωμένος στη μια και μοναδική τιμή του (s=1/2) ως ένα σταθερό στοιχείο ταυτότητας του ηλεκτρονίου, όπως η μάζα ή το φορτίο του.
Νομίζω έχει τεθεί και ένα τρίτο επιχείρημα, το οποίο δεν το θυμάμαι, το είχα δει σε μία ομιλία, όταν βρω χρόνο θα το ψάξω και θα το ποστάρω.
Ευχαριστώ πολύ για τα σχόλια.Σίγουρα υπάρχουν μαγνητικοί όροι και φαινόμενα όπως σύζευξη spin-τροχιάς που οδηγούν σε πειραματικά αποτελέσματα, λεπτή και υπερλεπτη υφή,πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό κ.α. ακόμα και σε κάποια θέματα κάποιων περίεργων μακροσκοπικών δεσμών αποτι βρήκα (δυστυχώς δεν έχω κρατήσει το λινκ). Κάποιος ειδικός θα μπορούσε να πεί περισσότερα. Απλά για το σχηματισμό ισχυρών χημικών δεσμών που παρατηρούμε γύρω μας, είναι αμελητέα ολα αυτά. Πάντως είναι κάτι που έχει μπει λάθος σε αρκετά φροντιστηριακά βοηθήματα και αλλού, γιατί δεν πολυαναφέρεται ή ξεκαθαρίζεται ούτε στη τριτοβάθμια εκπαίδευση. Προσωπικά δεν έχω βρεί κάποιο paper στις αρχές της κβαντομηχανικής που να ξεκαθαρίζει γιατί οι μαγνητικές δυνάμεις είναι αμελητέες, περα απο μια απλή αναφορά του γεγονότος με βάση την τάξη μεγέθους τους που ίσως είναι και αρκετό κιαυτό γράφω και στο άρθρο. Η φοιτητική πτυχιακή του Feynman πάντως ξεκαθάριζε οτι η κβαντομηχανική των χημικών δεσμων αναγόταν σε καθαρά ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση.
Όσο αφορά το σπίν, αυτό που πειραματικά επιβεβαίωσε πλήρως την κβάντωση του και τη περίεργη συμπεριφορά του είναι το πείραμα Stern-Gerlach που είναι θεμελιώδες πλέον και πάνω του μπορεί να βασιστεί όλο το χτίσμο της κβαντομηχανικής (βλ. sakurai)
Κοίτα Φαίδων, οι μαγνητικοί όροι (π.χ. η spin hamiltonian, εκεί να δεις πόσοι όροι μπαίνουν μέσα, πόλεμος γίνεται έχω χαλάσει έναν δίσκο 500αρη με τους 24ωρους υπολογισμούς) αναφερόνται σε μαγνητικά τροχιακά και όχι στη κλασσική θεωρία των μοριακών τροχιακών, δηλαδή έχουν μικρή συνεισφορά στους δεσμούς αλλά μαζί με συμμετρίες κτλ. είναι αυτά που καθορίζουν τις μαγνητικές ιδιότητες των μορίων. Στη Γ λυκείου είναι αλήθεια ότι δεν μπορείς να τους πεις πολλά πράγματα, αλλά τουλάχιστον το ότι το σπιν είναι μία εγγενής ιδιότητα όπως η μάζα και ότι παίζει ρόλο στις μαγνητικές ιδιότητες ενός μορίου νομίζω είναι αρκετό. Μέχρι όμως εκεί, άντε να τους πεις και ότι ο κβαντικός αριθμός Σπιν προκύπτει από άλλους όρους της χαμιλτωνιανής, τελεία! Αν αρχίσεις και μιλάς για χρονοεξαρτώμενους και τελεστές ladders ή γα μαγνητικά τροχιακά, καληνύχτα…!
500gb,χαμος απο δεδομενα! Αρα είναι στο τομέα σου τα μαγνητικά τροχιακά και μαγνητικές ιδιοτητές μορίων. Δεν εχω ασχοληθεί καθόλου πέρα απο κάτι λίγα παραδείγματα παραμαγνητισμου, διαμαγνητισμου σε βιβλία κβάντο, οπότε είμαι εντελώς άσχετος. Αν έχεις να προσθέσεις κάποια επεξήγηση ή λινκ κλπ για το αρχικό άρθρο, πχ αν υπάρχουν δεσμοί που οι μαγνητικές δυνάμεις παίζουν κάποιο σημαντικό ρόλο,εννοείται το βάζω. Ναι στο λύκειο δεν μπορεις να πεις πολλά, μόνο αυτό που λες για το σπίν με τα επιχειρηματα που έφερες, και οτι πρέπει να διαχωριστεί η αρχή του Pauli απο τις πολύ ασθενεις μαγνητικές δυνάμεις, ωστε να μην υπάρχει το μπέρδεμα οτι αντιθετα σπιν σχηματιζουν ηλεκτρομαγνητικο χημικό δεσμο, Δημιουργεί εντελώς λάθος εντυπωσεις για το πως λειτουργεί το πράγμα. Eπίσης καλό είναι να ξαναγραφτούν τα βιβλία φυσικής λυκείου σε κάτι σύγχρονο και ενιαιο γιατί είναι άθλια.. το σπιν το εξηγουν ως περιστροφή ακόμα..
Δυστυχώς Φαίδων πάει ο δίσκος και με ζόρισε πολύ για το Migration, ήταν κάτω από 50 % λειτουργικός, έβαλα ssd και βρήκα την υγεία μου. Κοίτα έχω βιβλία που μπορώ να προτείνω – ξένη βιβλιογραφία (π.χ. coordination chemistry του Ribas ή το Introduction to Molecular Magnetism: From Transition Metals to Lanthanides του Gatteschi και η Sessoli έχει βιβλία), αλλά σε αυτά τα βιβλία αναλύονται γενικά τα μαγνητικά και όχι μόνο η έννοια στου Σπιν απλά κάποιος που έχει υπομονή αν το πάρει από την αρχή θα βγάλει άκρη, αλλά θέλουν πολύ ξεσκόνισμα, γιατί τα μαγνητικά θεωρώ είναι από τους πιο απαιτητικούς κλάδους της χημείας, έχουν πολύ θεωρία, μαθηματικά, διαγράμματα και μαγνητοδομικούς συσχετισμούς. Θα ψάξω μπας και βρω κανένα πεϊπέρι, και εννοείται θα το ποστάρω. Εγώ πιστεύω αν το σχολικό βιβλίο γίνει πιο σαφές σε 2-3 πραγματάκια όσον αφορά την χαμιλτωνιανή, το τι αναπαριστά ο κάθε όρος (κινητική και δυναμική, έλξεις-απώσεις μόνο) και ότι μόνο οι 3 κβαντικοί αριθμοί εμπεριέχονται σε αυτούς ως συνθήκες-λύσεις 3 εξισώσεων με τρεις αγνώστους και ότι σχετίζεται η ηλετρονιακή απεικόνιση με αυτούς ίσως ξεκαθαρίσει λίγο το τοπίο. Το Σπιν είναι μία άλλη ιστορία που θα ήταν προτιμότερο να προσεγγιστεί ως εγγενής ιδιότητα και κάτι που παίζει ρόλο στις μαγνητικές ιδιότητες των μορίων. Ναι οκ, θα αναφερθεί ως τέταρτος κβαντικός αριθμός, ξεκαθαρίζοντας όμως ότι χρειάζονται και άλλοι όροι στην εξίσωση οι οποίοι έχουν σχετικιστικό (αν υπάρχει τέτοια λέξη
) υπόβαθρο. Επειδή σε νιώθω όμως θα σου πω το εξής, αν είχε σταματήσει αυτή η μείωση της ύλης στα μαθηματικά τα τελευταία χρόνια, τότε θα μπορούσες να μιλήσεις για διαφορικές, διανυσματικούς χώρους, ακτινικό και γωνιακό μέρος της κυματοσυνάρτησης, πολικές και σφαιρικές συντεταγμένες. Θα πέταγες και κανένα σχήμα της προκοπής στο βιβλίο και σίγουρα θα υπήρξε πιο πλήρης κατανόηση γύρω από αυτές τις έννοιες. Εδώ φτάσαμε να βάζουμε κόμματα (και εγώ ως μαθητής στο λύκειο) μεταξύ των όρων στις ηλεκτρονιακές κατανομές που φυσικά είναι λάθος γιατί είναι γινόμενα συναρτήσεων και όχι απλά σύμβολα. Για μένα καλώς δεν έχουν αναπτύξει πολύ την ενότητα αυτή, διότι τα παιδιά δεν έχουν το μαθηματικό υπόβαθρο να την υποστηρίξουν και θα τα μάθαιναν παπαγαλία. Διορθώσεις όμως παίρνει και ίσως καλύτερα σχήματα, ούτως ή άλλως η επιστήμη της χημείας όπως και όλες οι επιστήμες εξελίσσονται συνεχώς. Θεωρώ επίσης ότι γενικά στα βιβλία του λυκείου δεν τονίζεται σε πολλές περιπτώσεις ότι πολλές έννοιες πηγάζουν και μέσα από πειράματα (το καθιστά σαφές μόνο στον μηχανισμό αντίδρασης στην κινητική). Για παράδειγμα το σπιν έχει προκύψει από πειράματα με το φαινόμενο Zeeman κτλ. όταν και παρατήρησαν διαχωρισμούς ενεργειακών όρων που δε περίμεναν. Αλλά ξαναλέω για μένα λίγα πραγματάκια και καλά, να μην κουράζει και να ανταποκρίνεται στο επίπεδο των μαθητών. Ας μάθουν σωστά στο λύκειο 5 πράγματα και μετά στο πανεπιστήμιο θα τα δουν τα υπόλοιπα. Όλοι μας όσο ζούμε μαθαίνουμε και διαβάζουμε, κανείς δεν τα ξέρει όλα και ούτε πρόκειται όσο ζει να τα μάθει. Ανοιχτό μυαλό να έχουμε, να υπάρχει ανταλλαγή απόψεων και όλα γίνονται. Εδώ βλέπεις και σε καθηγητές σε σχολεία ακόμα και σε πανεπιστήμιο να ντρέπονται να πουν στον μαθητή – φοιτητή ότι δεν γνωρίζουν την απάντηση και ότι θα την ψάξουν και τους αραδιάζουν ότι να ναι για να τους ξεφορτωθούν και να νιώθουν οι ίδιοι αυθεντίες.
Φαίδων, αυτό είναι το βιβλίο που θες.
Σου βρήκα και Papers στα ανέβασα εδώ. σε ενα doc αρχείο σου κράτησα 3-4 αποσπάσματα που έπιασα με ένα γρήγορο πέρασμα. H spin spin και η Spin obit οπως σου ειχα πει συνεισφερουν λιγο στους δεσμούς και δε φαίνεται πουθενά να είναι η αιτία του ομοιοπολικού δεσμού.
Δες τα και το συζητάμε εδω.
Επίσης καλό θα ήταν στο σχολικό βιβλίο να διαχωρίσουμε το s με το ms:
In truth, s or the spin quantum number, has to do with a particle’s total spin. All particles have an intrinsic spin. For example, electrons have spin s=1/2 and photons have spin s=1.
ms is the magnetic spin quantum number, and this has to do with the possible spin states that can be measured. For an electron, an up or down spin can be measured, and these are associated with ms=+1/2 and ms =-1/2 respectively.
So, the spin quantum number is a value intrinsic to the particle or system, and determines what values the magnetic spin quantum number can have. The magnetic spin quantum number represents the current state of the particle.
For those with more background in quantum mechanics, s is the eigenvalue of the S^2 operator, and ms is the eigenvalue of the Sz operator.
Οκ, κρίμα για το δίσκο!! Και ευχαριστώ για τους τίτλους,ναι όντως έχει πάρα πολύ βάθος η κβαντομηχανική του μαγνητισμού και του σπίν και σε σύνδεση με τη χημεία ακόμα περισσότερο αποσα λες. Με το σχετικιστικό υπόβαθρο, εννοείς πως η σχετικιστική εξίσωση dirac βγάζει το 1/2 spin ? Η το πως σχετίζονται τα σπιν μεταξύ τους σε διάφορους όρους ? Ναι εκεί γινεται χαμος στη θεωρία. Τώρα για το λύκειο, όσα αναφέρεις περι χαμιλτονιανής θα μπορούσαν να μπουν σε κάποιο συμπληρωματικό παράθεμα για τους μαθητές που ενδιαφέρονται πολύ για αυτά. Τα σφαιρικά,ακτινικά μέρη, διαφορετικά συστήματα συντεταγμένων, διαφορικές και τέτοια, ούτε καν, μόνο σχήματα.. Για πρώτο έτος πάνε αυτά.. Συμφωνώ οτι το βιβλίο λυκείου δεν αναφέρει πολλά πειράματα, και τα θεωρεί όλα κάπως έτοιμα αλλά είναι δύσκολο κάτι παραπάνω, γιατί θέλει αρκετές σφαιρικές γνώσεις που δεν τις διδάσκονται ούτε στη φυσική (πχ φαινόμενο zeeman θέλει γνώσεις φασμάτων, ενεργειακών σταθμών κλπ που αλλες φορές διδάσκονταν,αλλες όχι οπότε γενικά οτι ναναι η κατάσταση). Καλά αυτό που λες με την αυθεντία είναι τεράστιο θέμα, και γενικά σαν κουλτούρα εκπάιδευσης στην Ελλάδα είμαστε πολύ πίσω και η κατάσταση με παπαγαλία, φροντιστήρια,απαιτήσεις γονέων για επιτυχία,θέλουν τους καθηγητές τέλεια ρομποτάκια ασκήσεων, και νομίζω οτι τη τελευταία δεκαετία μείναμε ή στάσιμοι ή και γυρίσαμε αρκετά προς τα πίσω λογω αυξημένης ανεργίας και απαξίωσης. Αλλά αυτό έιναι άλλη τεράστια κουβέντα.. Αnyway..
Αργησα να δω την απάντηση,
ναι γενικά οι ομοιοπολικοί εξηγούνται σκέτα με Coulomb όπως έχω βάλει και σε κάποια λινκ.
Ευχαριστώ για τις πηγές και το ψάξιμο!
Εχουν πολύ διάβασμα αυτά και φαίνονται αρκετά αναλύτικά..
Θα κοιτάξω μερικά και θα σου πω,
και αν ταιριάζει κάτι με το θέμα του άρθρου θα το λινκάρω..
https://www.ilorentz.org/history/spin/goudsmit.html
ωραίο άρθρο για την ανακάλυψη του σπιν. Ναι, Φαίδων η Dirac!