Коллапсируют ли электроны в ядро, если электроны в атоме постоянно возбуждены?

Из модели атома Бора ясно, что электрон может иметь только некоторые определенные энергетические уровни. Когда электрон находится как можно ближе к ядру, атом имеет минимально возможную энергию и считается, что он находится в основном состоянии . Когда к нему подводится энергия из какого-то внешнего источника, он может поглотить определенное количество энергии и перейти в более высокое энергетическое состояние. Такое состояние атома, в котором атом обладает большей энергией, чем в основном состоянии, называется возбужденным состоянием . Эти возбужденные состояния нестабильны, и электрон имеет тенденцию возвращаться на более низкий энергетический уровень. Этот переход (переход) с верхнего энергетического уровня на нижний происходит скачком и выделяется энергия в виде кванта, равного разности энергий между двумя уровнями.

У меня есть сомнения, что если электрон поглощает энергию из внешнего источника и переходит в более высокое энергетическое состояние, он теперь будет накапливать поглощенную энергию как потенциальную энергию в возбужденном состоянии. Если электрон излучает всю поглощенную энергию (кванты-разность энергий между двумя уровнями). За счет какой энергии падает электрон? Я имею в виду, что в обычных ситуациях мы говорим, что объект на любой высоте падает, превращая свою потенциальную энергию в кинетическую энергию. Здесь, в случае электрона, он уже испустил поглощенную энергию в виде квантов. Значит, электрон теряет некоторую энергию, кроме энергии, поглощенной из источника, чтобы перейти в основное состояние. Я думал, что если бы это было возможно, то электрон должен был бы постоянно терять энергию, всякий раз, возбуждаясь, он, наконец, коллапсировал бы в ядро. Но, это не мы действительно наблюдаем. Я думаю, что у меня может быть какое-то непонимание, или может быть какая-то существующая модель, такая как квантово-механическая модель, которая могла бы объяснить это. Если так было, поясните пожалуйста.

Когда что-либо с более высоким потенциалом переходит в состояние с более низким потенциалом, оно либо преобразует свою энергию в КЭ, либо высвобождает эту энергию. Вот что здесь происходит; он уменьшает свой потенциал, испуская фотоны определенной длины волны, и, следовательно, переходит в более низкое состояние.
Спасибо за комментарий. Предположим, у меня на столе стоит чашка горячего кофе. Он будет постоянно терять энергию в виде тепла, но он останется на столе, хотя потеря энергии была. Теперь, внезапно, я убираю стол, чашка кофе преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую энергию, чтобы опуститься. Точно так же электрон теряет энергию в виде квантов, это не значит, что он должен опускаться, он должен преобразовать часть своей энергии в кинетическую, чтобы опуститься. Это то, что я думал, если что-то не так, пожалуйста, объясните.
Давайте я напишу ответ.

Ответы (6)

Основываясь на некоторых ваших комментариях, я думаю, что вас может сбить с толку первое утверждение, с которого вы начали:

Из модели атома Бора ясно, что электрон может иметь только некоторые определенные энергетические уровни.

и

...Если предположить, что электрон теряет полную энергию, то электрон не может оставаться в какой-либо конкретной оболочке, так как у него не было бы этого конкретного значения энергии.

Это может быть верно для модели атома Бора, но модель атома Бора неверна. И электрон не обязательно должен находиться на какой-то определенной, определенной оболочке или энергетическом уровне. Скорее, любое состояние электрона является суперпозицией состояний определенного энергетического уровня (собственных энергетических состояний).

Это означает, что ожидаемое значение состояния электрона водорода будет выглядеть как

⟨ Е ⟩ "=" ∑ н | а н | 2 Е н ,
где { а н } произвольные комплексные значения с ∑ н > 0 | а н | 2 "=" 1 и Е н уровни энергии в порядке возрастания. Из-за суммы к- 1 условие, взятие любой части вдоль других собственных состояний энергии увеличит энергию по сравнению с основным состоянием.

Другими словами, даже если состояние электрона не имеет определенной энергии, вы все равно не можете опуститься ниже основного состояния.

Предположим, у меня на столе стоит чашка горячего кофе. Он будет постоянно терять энергию в виде тепла, но он останется на столе, хотя потеря энергии была. Теперь, внезапно, я убираю стол, чашка кофе преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую энергию, чтобы опуститься.

Если вы не потрясете стол, кофейная чашка останется на нем навсегда. Точно так же ничто не возмущает электрон в возбужденном собственном энергетическом состоянии, поэтому он просто никогда не распадется. Это невозможно: собственные энергетические состояния стационарны; они не эволюционируют ни во что другое, кроме самих себя.

Однако быть полностью без внешнего возмущения фактически невозможно. Принцип неопределенности обеспечивает электромагнитному полю вакуумные флуктуации, которые будут возмущать электрон, даже если ничего другого в окружающей среде не возмущает. По вашей аналогии, это (или что-то другое) обеспечивает "сотрясение стола" для электрона. Как только состояние электрона получает хотя бы крошечную составляющую в каком-либо собственном состоянии с другой энергией, это состояние может эволюционировать во времени.

Другими словами, можно думать о спонтанном излучении как об особом типе вынужденного излучения, в котором возмущает вакуум.

Здесь, в случае электрона, он уже испустил поглощенную энергию в виде квантов. Значит, электрон теряет некоторую энергию, кроме энергии, поглощенной из источника, чтобы перейти в основное состояние. Я думал, что если бы это было возможно, то электрон должен был бы постоянно терять энергию, всякий раз, возбуждаясь, он, наконец, коллапсировал бы в ядро. Но, это не мы действительно наблюдаем. Я думаю, что у меня может быть какое-то непонимание, или может быть какая-то существующая модель, такая как квантово-механическая модель, которая могла бы объяснить это. Если так было, поясните пожалуйста.

Как говорили другие, модель Бора была заменена квантово-механической формулировкой взаимодействия частиц в микромире. Существуют определенные энергетические уровни, которые могут быть заняты электронами, и есть основное состояние , из которого электроны вообще не могут опускаться ниже.

Пожалуйста, изучите, что означают эти орбитали , которые являются результатом решения уравнения Шрёдингера для атома. Они показывают распределение вероятности в пространстве для электрона вокруг ядра:

атомные орбитали

Формы первых пяти атомных орбиталей: 1s, 2s, 2px, 2py и 2pz. Цвета показывают фазу волновой функции. Это графики функций ψ(x, y, z), которые зависят от координат одного электрона. Чтобы увидеть вытянутую форму функций ψ(x, y, z)2, которые более точно показывают плотность вероятности, см. графики d-орбиталей ниже.

Обратите внимание, что угловой момент = 0 (состояния S) имеют вероятность того, что электрон будет находиться в центре, где находится положительный заряд ядра. Поскольку ядро ​​на несколько порядков меньше пространства, покрываемого орбиталью, вероятность захвата электрона ядром бесконечно мала (вместе с другими соображениями фазового пространства), но это происходит для ядер, богатых протонами, где поля сильны. Это называется захватом электронов . В этих редких процессах, когда электрон захватывается, он излучает фотон/гамма, характерный для основного состояния, которое он потерял. Непрерывных потерь нет, поскольку система квантована.

Я думал, что если бы это было возможно, то электрон должен был бы постоянно терять энергию, всякий раз, возбуждаясь, он, наконец, коллапсировал бы в ядро.

Вы, кажется, забыли, что когда электрон возбуждается, он получает энергию, которая затем высвобождается при ее испускании. Чтобы он не разрушился, потому что поглощение и излучение энергии уравновешены.

Прочитав ваш комментарий в ответ на мой, я понял, что вы хотели спросить.

Вот где так много людей в замешательстве. Поскольку мы начинаем химию в средней школе, нас учат об электронных орбитах, которые похожи на концентрические окружности . Каждый врожденно предполагает, что 1-я орбита находится внутри 2-й орбиты, которая внутри 3-й и так далее.
Это не так!

Электронные орбиты не сравнимы с солнечной системой. Оболочка с более высокой энергией не означает оболочку с большим радиусом.

Когда электрон теряет энергию, чтобы перейти в более низкое состояние, это не означает, что он на самом деле уменьшает свой радиус — только его энергетическое состояние. Модель Бора была просто теорией, которая объясняла многие явления, но как только вы начнете изучать квантовую механику атома, вы увидите, как мы верим в нее прямо сейчас.

Если вы начали изучать подоболочки s, p, d и f, я могу объяснить немного подробнее.

Большинство людей, которые не представляли себе атом правильно — благодаря школьной аналогии с Солнечной системой — полагают об атоме много неправильных вещей.

Например, все атомные орбитали существуют с центром в ядре . Многие представляют это так:

http://i.stack.imgur.com/OIpg7.png

Это не верно. ↑

Собственно, каждый из п Икс , п у , п г , с , г Икс у и т. д. располагаются по центру ядра .

Ответ выглядит разумным, но, глядя на него, можно не прочитать последнее предложение, а увидеть неправильную картинку. Может ли это быть помечено как «(неправильно)» рядом с картинкой?
Спасибо за ответ. Рассмотрим следующую ситуацию, которая имела бы больше смысла. Пусть чашка горячего кофе перемещается из одного положения в другое вдоль стола с использованием j джоулей энергии, аналогично можно предположить, что электрон перемещается на более высокую энергетическую оболочку из-за поглощения энергии. Предположим, что кофе теряет j джоулей энергии в виде тепла в атмосферу, но остается на том же месте, точно так же электрон теряет всю поглощенную энергию, но остается в той же оболочке. Чтобы кофейная чашка вернулась в свое прежнее положение, ей нужно немного преобразовать...
.... его энергии (кроме потерянной энергии) в кинетическую, чтобы вернуться. Точно так же электрону необходимо преобразовать часть своей энергии в кинетическую, чтобы вернуться в исходную оболочку. Таким образом, электрон должен потерять часть своей энергии, кроме поглощенной, чтобы вернуться в исходную оболочку. Я понял, что вы хотели сказать в отношении предыдущей аналогии. Если какие-либо такие сложности, даже в отношении этой аналогии, пожалуйста, укажите.
@Ruslan Спасибо, я отредактирую ответ, чтобы выделить важные моменты.
@Vinay, разговор о перемещении из одного места в другое отличается от изменения размера орбиты. Как что-то вращается? Если у него есть скорость, достаточная для преодоления силы притяжения, он начнет двигаться по орбите. По сути, это орбита, когда она движется так быстро, что продолжает уклоняться от притяжения. Чем больше скорость, тем больше орбита. Я предполагаю, что это работает и для электронов, и для ядра, но разница в радиусе незначительна.
Так что в основном просто дайте ему энергию (в виде фотонов), и она войдет в его кинетическую энергию — увеличение его скорости — что (согласно атому Бора) увеличит радиус орбиты. Электрон не является стационарным, поэтому сравнение его с перемещением чашки кофе из одного места в другое может сбить вас с толку.

Кстати, вспомните принцип запрета Паули, согласно которому никакие две (фермионные) частицы не могут находиться в одном и том же состоянии. Таким образом, два электрона не могут находиться в одном и том же точном состоянии, например, в основном состоянии есть только два электрона, каждый с разным спином. Кроме того, существует принцип неопределенности, согласно которому вы не можете точно определить положение или импульс частицы (и чем больше вы знаете об одном из этих факторов, тем меньше вы знаете о других), и что каждая частица имеет длину волны, примерно определяющую "орбита" частицы в классическом смысле.

Даже если электрон отдает энергию (а квантовые правила требуют определенных энергетических состояний в связанной системе), силы ядерного отталкивания (не электромагнитные) не дадут ему приблизиться к самому ядру. Взгляните на скорость, до которой частицы разгоняются в ЦЕРН или LINAC, чтобы позволить им столкнуться с ядром.

Если ядро н м Икс имеет достаточно большую энергию, чем н − 1 м Икс ′ , то может произойти радиоактивный распад за счет электронного захвата. Так что возлагать вину за отсутствие «сближения» на наличие ядерных сил не представляется правильным, так как ядерные (слабые) силы ответственны за захват электрона, а отсутствие таковых — вина сохранения энергии.
@Carl Witthoft. Спасибо за ответ, сэр. Когда волновое уравнение Шрёдингера решалось для атома водорода, оно давало выражение для энергии электрона в любой конкретной оболочке. Если предположить, что электрон теряет полную энергию, то электрон не может оставаться в какой-либо конкретной оболочке, так как у него не было бы этого конкретного значения энергии. Таким образом, он будет больше притягиваться к ядру из-за разной природы заряда электрона и протона. Итак, я думал, что электрон сколлапсирует в ядро. Я не эксперт в области квантовой механики, пожалуйста, объясните, как CERN или LINAC относятся к этой концепции.
@StanLiou достаточно честно. Я не собирался так глубоко :-)
«Я не эксперт в квантовой механике» , лол, лучшая цитата из физики! :П
@shortstheory или «Как ты можешь быть в двух местах одновременно, если тебя вообще нигде нет»
Это просто неправильно. Электроны в s-состояниях имеют нетривиальную плотность вероятности внутри ядра. Ядро взаимодействует с электроном только на уровне дерева электрослабыми процессами, и они в целом притягиваются на всех диапазонах. Только квантовая механика ответственна за относительно большой размер стационарных состояний.
@StanLiou: Да, я действительно считаю, что K-захват - это одна из таких ситуаций, в которой электрон может упасть на ядро.
Коллапсируют ли электроны в ядро, если электроны в атоме постоянно возбуждены?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v