Почему атомные заряды уравновешиваются?

Атомы описываются как имеющие ядро ​​в центре с вращающимися вокруг него электронами (или, возможно, ядро ​​с высокой вероятностью находится в центре, а электроны более рассредоточены).

Если это так, то можно подумать, что на «периметре» атома сосредоточено больше отрицательного заряда, и отрицательная сила будет преобладать при взаимодействии с чем-то вне атома из-за его близости.

Итак, почему атомы имеют нейтральный заряд?

"а может ядро ​​с большой вероятностью оказаться в центре" - это я просто обожаю!
Даже игнорируя все подробности о квантовой физике, во втором абзаце есть простая геометрическая ошибка. Для любой фиксированной точки, достаточно далекой от атома, примерно половина «периметра» на самом деле находится дальше, чем ядро, и, следовательно, оказывает меньшее влияние. Имея это в виду, неудивительно, что эффекты электронов на ближней и дальней сторонах имеют тенденцию (в основном) уравновешиваться.
@mlk Это отличный момент. Я понял это, когда обдумывал это после публикации. «(В основном)» в вашем комментарии еще предстоит определить количественно; и действительно ли атом колеблется между различными уровнями дисбаланса в зависимости от положения всех электронов?
@mlk или взять, например, атом водорода; колеблется ли его сторона между отрицательным/положительным, когда одинокий электрон проходит «спереди» и «позади» нейтрона?
@ReinstateMonica На самом деле это одна из первых загадок, которые привели к квантовой физике. Если он колеблется между задней и передней частью и, таким образом, кажущимся положительным/отрицательным зарядом, результатом будет электромагнитная волна, которая будет уносить энергию, поэтому электрон должен будет довольно быстро падать к ядру. Но это не то, что мы наблюдаем. Способ сделать это соответствует квантовой физике, которая позволяет электрону быть впереди и сзади одновременно.
@mlk Исправление заключалось в квантовании энергии. Высказывание «электрон находится спереди и сзади одновременно» - это вопрос интерпретации того, что суперпозиция представляет физически.

Ответы (4)

Нейтральный заряд просто означает отсутствие чистого заряда при рассмотрении всего атома/молекулы. Это не означает, что не может быть ненулевого или несимметричного электрического поля. Это особенно верно для нейтральных, но все же полярных молекул , таких как вода.

вы могли бы подумать, что на «периметре» атома сосредоточено больше отрицательного заряда, и отрицательная сила будет преобладать при взаимодействии с чем-то вне атома из-за его близости.

По закону Гаусса это не так. Сфера с отрицательным зарядом имеет такое же поле снаружи, как и точечный заряд в центре сферы.

Вы имеете в виду, что мы можем рассматривать вращающийся по орбите электрон как действительно размазанный в сферу однородного заряда, а не как заряд то тут, то там?
@ReinstateMonica На самом деле я не говорю «да» или «нет» здесь. Эта модель может быть полезна для одних вещей, но не для других. Я хочу сказать, что если вы это допускаете, то закон Гаусса говорит нам то, что я говорю в ответе.
@ReinstateMonica В действительности каждое взаимодействие с датчиком приводит к коллапсу электрона в собственное состояние с более дискретным положением, поэтому мы теряем возможность напрямую применять закон Гуасса. Однако вы можете вывести тот же аргумент из большого количества взаимодействий с одним электроном, собственный вектор положения которого сферически симметричен, который вы используете, чтобы перейти от сферически симметричного распределения фиксированных зарядов в первую очередь к закону Гаусса. [1/2]
[2/2] Однако, если подойти очень близко, то принцип запрета Паули в сочетании с квантованными уровнями энергии электрона по отношению к ядру предотвращает попадание электронов из атома в атомы вашего сенсора, или, если вы Если вы смотрите на атомы с помощью электронного луча, ваш электронный луч отражается от атома. Я думаю, что интерпретация кулоновской силы заключается в том, что, хотя дискретное сферическое распределение событий приближается к непрерывному сферическому распределению, оно все же дискретно, поэтому одно событие все еще может доминировать, если оно очень, очень близко.
В [1/2] я должен был сказать: «собственные векторы положения которых распределены сферически симметричным образом»

На большом расстоянии, р ≫ а 0 , атом кажется полностью нейтральным, что хорошо, потому что плотность энергии числа электронных зарядов Авогадро огромна. Заряженный шар обладает электростатической энергией:

U "=" 3 5 Вопрос 2 4 π ϵ 0 р

С Вопрос "=" Н А е :

U "=" 5 × 10 19 Дж / м − 1

Это 12 000 мегатонн тротила на 1-метровую сферу и 1 грамм протонов. А сферические часы размером с Землю показывают около 2 кт.

На более близком расстоянии электронное облако чрезвычайно важно. Его способность переходить от атома к атому движет большей частью, если не всей, химией. Искажения (например, поляризуемость) лежат в основе поведения диэлектриков, показателей преломления и нелинейной оптики. А еще есть магнетизм, молекулярная биология, сворачивание белков и все такое.

тл; DR Они не обязаны - ионы существуют, но относительно редко по сравнению с количеством нейтральных атомов и молекул, встречающихся в повседневной жизни, и относительно недолговечны.

Существуют разные взгляды на эту проблему:

Электронное облако
Если мы рассмотрим отдельный атом, то его электрон имеет вероятностное распределение вокруг ядра (всегда можно выбрать нашу систему отсчета так, чтобы она была сосредоточена вокруг ядра). Так как электронное облако простирается бесконечно далеко от ядра, то атом кажется примерно нейтральным только тогда, когда мы смотрим на гауссову поверхность очень большого радиуса (по сравнению с атомным радиусом, т. е. средней толщиной облака вероятностей).

Дискретность заряда
Другой возможной отправной точкой является квантование заряда: поскольку заряд выражается в единицах заряда, равных единицам заряда протона и электрона, ненейтральный атом должен иметь избыток по крайней мере одного протона или одного электрона. Тогда для атома с избыточным электроном можно рассчитать его устойчивость по сравнению с атомом без избыточных электронов. Конечно, отрицательно и положительно заряженные ионы существуют и часто стабильны, но они легко теряют или приобретают лишние/недостающие электроны при взаимодействии с другими атомами. Параметры взаимодействия таковы, что нейтральная конфигурация просто более устойчива.

Макроскопическая нейтральность заряда
Объект, содержащий много атомов, будет притягивать избыточный заряд до тех пор, пока не станет нейтральным, поэтому скопления многих ионизированных атомов редко наблюдаются. Кроме того, набор ионизированных атомов не будет стабильным из-за отталкивающих кулоновских взаимодействий, а это означает, что нейтральность заряда является условием стабильности макроскопических объектов.

«ионы действительно существуют, но редко встречаются в повседневной жизни и относительно недолговечны». Можете ли вы расширить это? Многие биологические процессы связаны с ионами.
@BioPhysicist Конечно, ионы есть везде, но в гораздо меньших концентрациях, чем нейтральные атомы/молекулы. Если вы возьмете Н а С л в чем, количество Н а + и С л − ионов намного меньше числа нейтральных молекул воды.
Правда, это "маленькие" концентрации, но они все же имеют значение. Клетки работают, чтобы поддерживать разность потенциалов на своих мембранах, а потенциалы действия зависят от движения ионов. Я думаю, это зависит от того, что означает «повседневная жизнь» :)
@BioPhysicist это нужно интерпретировать в контексте этого вопроса, который я интерпретирую так: почему большинство атомов имеют одинаковое количество положительного и отрицательного заряда? Если оглянуться вокруг, то большая часть вещества вокруг не является ионизированной плазмой, поэтому можно утверждать, что ионы «редкие». Лично я не сторонник споров о семантике или точных формулировках, если нет риска быть неправильно понятым.
@BioPhysicist Я поправил формулировку.

Если возникает вопрос, почему мы наблюдаем больше нейтральных атомов, чем ионов, то мы можем обратиться к статистической механике и утверждать, что она энергетически выгодна. Распределение Больцмана говорит нам, что вероятность состояний с более высокой энергией ниже, чем вероятность состояний с более низкой энергией. * . Существует энергия, связанная со сборкой заряженных объектов,

U "=" ϵ 0 2 ∫ Е 2 г 3 р

интегрированы по всему пространству - поскольку Кулон имеет большой радиус действия, этот аспект может быть очень значительным. Таким образом, случайное допущение того, что материя управляется электростатической силой (и никаким другим взаимодействием), говорит нам, что материя не должна быть заряжена в больших масштабах, иначе Е не будет исчезать на больших расстояниях, и дальняя часть интеграла важна.

Ясно, что есть и другие эффекты, но мы действительно можем увидеть эти эффекты, когда смотрим на ионы в растворе. Вода разделяет соли на ионы, и это происходит из-за минимизации баланса между энергией, связанной с энтропией (от температуры) и U упоминается заранее.

* игнорирование эффектов вырождения

PS Сначала я начал думать, что водно-ионный эффект возникает из-за того, что вода движется вокруг иона, чтобы уменьшить заряды и уменьшить энергию. U дальше, но я не думал, что слабая электрическая связь воды будет короче, чем ионная связь. Согласно этому исследованию , кажется, что она незначительно меньше , но я полагаю, что перераспределение заряда имеет меньший эффект, чем уменьшение энергии из-за увеличения энтропии (все пары между Н "=" [ 0 , ∞ ] молекулы воды и н ≪ Н ионов против всех пар равного количества ионов натрия и хлора)

Почему атомные заряды уравновешиваются?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v