Почему электроны не врезаются в ядра, вокруг которых они «вращаются»?

Вы правы, планетарная модель атома не имеет смысла, если учесть задействованные электромагнитные силы. Электрон на орбите постоянно ускоряется и, таким образом, излучает свою энергию и падает на ядро.

Одной из причин «изобретения» квантовой механики была именно эта загадка.

Для решения этой проблемы была предложена модель Бора, предполагающая, что орбиты замкнуты и квантованы, и никакая энергия не может быть потеряна, пока электрон находится на орбите, что создает стабильность атома, необходимую для образования твердых тел и жидкостей. Он также объяснил линии, наблюдаемые в спектрах возбужденных атомов, переходами между орбитами.

Если вы продолжите изучение физики, вы узнаете о квантовой механике , аксиомах и постулатах, которые составляют уравнения, решения которых дают точные числа для того, что было первым предположением в модели атома.

Квантовая механика принимается как базовый уровень всех физических сил на микроскопическом уровне, а иногда квантовая механика может рассматриваться макроскопически, как , например, сверхпроводимость . Макроскопические силы, подобные силам классических электрических и магнитных полей, представляют собой предельные случаи реальных сил, которые господствуют на микроскопическом уровне.

Я не понимаю, как отрицательно заряженный электрон может оставаться на «орбите» вокруг положительно заряженного ядра. Даже если электрон действительно вращается вокруг ядра, не распадется ли эта орбита в конце концов?

Да. То, что вы привели, является доказательством того, что классическая планетарная модель атома несостоятельна.

Я не могу примирить быстро движущиеся электроны, требуемые планетарной моделью, с тем, как атомы описываются как образующие связи. Если электроны движутся по орбитам, как они внезапно «останавливаются» для образования связей.

Верно. Есть и более простые возражения этого типа. Например, планетарная модель водорода была бы ограничена плоскостью, но мы знаем, что атомы водорода не плоские.

Мой вопрос здесь заключается в том, решает ли сама планетарная модель эти проблемы каким-то образом (что я упустил)[...]

Нет, планетарная модель просто неверна. Модель Бора, которая была ранней попыткой подлатать планетарную модель, также неверна (например, она предсказывает плоский атом водорода с ненулевым угловым моментом в его основном состоянии).

К квантово-механическому решению этой проблемы можно подойти на различных уровнях математической и физической сложности. Для сложного обсуждения см. этот вопрос mathoverflow, а также ответы и ссылки в нем: https://mathoverflow.net/questions/119495/mathematical-proof-of-the-stability-of-atoms .

На самом простом уровне разрешение работает так. Мы должны полностью отказаться от идеи, что субатомные частицы имеют четко определенные траектории в пространстве. Имеем соотношение де Бройля$|p|=h/\lambda$, куда$p$- импульс электрона,$h$постоянная Планка, а$\lambda$это длина волны электрона. Давайте ограничимся одним измерением. Предположим, что электрон ограничен областью пространства шириной$L$, а с обеих сторон непроницаемые стены, поэтому электрон имеет нулевую вероятность оказаться вне этой одномерной «коробки». Эта коробка представляет собой упрощенную модель атома. Электрон — это волна, и когда он ограничен пространством вроде этого, это стоячая волна. Модель стоячей волны с максимально возможной длиной волны имеет$\lambda=2L$, соответствующий суперпозиции двух бегущих волн с импульсами$p=\pm h/2L$. Эта максимальная длина волны налагает минимум на$|p|$, что соответствует минимуму кинетической энергии.

Хотя эта модель неверна в деталях (и фактически согласуется с фактическим описанием атома водорода даже хуже, чем модель Бора), в ней есть правильные ингредиенты, объясняющие, почему атомы не коллапсируют. В отличие от модели Бора, она имеет правильные концептуальные составляющие, позволяющие ее обобщить, расширить и сделать более строгой, что приведет к полному математическому описанию атома. В отличие от модели Бора, она ясно дает понять, что происходит в принципе: когда мы ограничиваем частицу небольшим пространством, мы получаем нижний предел ее энергии, и, следовательно, как только она попадает в модель стоячей волны с этой энергией, она не может т коллапс; он уже находится в состоянии минимально возможной энергии.

Обработка электронов как волн в сочетании со сферическими гармониками (рисунок ниже) сформировала основу для современного понимания того, как электроны «двигаются по орбите».

Изменения дифференциальных уравнений сферических гармоник приводят к уравнению Шредингера , которое дает принятые модели электронных орбитальных структур:

Единственный элемент, для которого уравнение Шредингера может быть решено точно (для остальных необходима аппроксимация), - это водород:

Эти модели предсказывают практически нулевую вероятность того, что электрон войдет в ядро ​​для большинства орбиталей. Считается, что на орбиталях, где электрон некоторое время находится в ядре, связывание электрона с протоном считается энергетически невыгодным. Если бы электроны были просто точечными зарядами, это было бы невозможно, но волновая природа электронов создает такие явления, как принцип запрета Паули, который предсказывает обратное.

Кратко,

1. Планетарная модель Бора на самом деле не решает этих проблем.

Бор, гений, только что утверждал , что явления на атомном уровне представляют собой комбинацию стационарности при нахождении на орбите и дискретных квантовых скачков между орбитами. Это был постулат , который привел к некоторому согласию с экспериментом и был очень полезен для будущего развития квантовой механики только потому, что заставил людей задуматься о стационарности и дискретности.

2 Это совершенно бесполезно для обсуждения химических связей. Вы совершенно правы, что вам это неудобно.

3 Это было бы преувеличением, но вы могли бы рассматривать квантовую механику Гейзенберга и Шредингера как единственный способ спасти планетарную модель Бора, наконец придумав объяснение стационарности состояния электрона вокруг (но уже не рассматривается как «обращение») ядра и объяснение дискретных скачков как реакции на возмущения извне. Но для этого требовалось видеть электрон скорее как волну и, следовательно , не иметь определенного положения на орбите.

вот ответ доктора Ричарда Фейнмана http://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_01.html#Ch1-S1

Вы, конечно, знаете, что атомы состоят из положительных протонов в ядре и электронов снаружи. Вы можете спросить: «Если эта электрическая сила настолько велика, почему протоны и электроны просто не накладываются друг на друга? Если они хотят быть в интимной смеси, почему бы им не быть еще более интимными?» Ответ связан с квантовыми эффектами. Если мы попытаемся удержать наши электроны в области, очень близкой к протонам, то, согласно принципу неопределенности, они должны иметь некоторый среднеквадратический импульс, который тем больше, чем больше мы пытаемся их удержать. Именно это движение, требуемое законами квантовой механики, удерживает электрическое притяжение от сближения зарядов.

С точки зрения спрашивающих, объяснительная сила большинства этих ответов кажется довольно плохой. Я предпочитаю ответ Эмилио Писанти здесь: почему электрон водорода не втягивается в ядро? потому что он точно объясняет, как принцип неопределенности диктует факты этой атомарной реальности.

Суть проблемы состоит в том, что если бы заряженные и притянутые электрон и протон столкнулись друг с другом, мы бы точно знали их положение, и, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, наши знания об импульсе были бы чрезвычайно малы, он мог бы быть любым. Таким образом, шансы того, что импульс будет достаточно большим, чтобы «избежать» этого по существу электростатического притяжения, очень велики. Поэтому электроны удаляются на среднее расстояние от ядра. Электрон находится в том положении, в котором он находится (или, скорее, в среднем положении), чтобы удерживать эти две противоположные силы в равновесии.

Неопределенность Гейзенберга действует как сила отталкивания, подобно эффекту сжатия газа. Больше сжатия = больше отталкивания.

Иногда электроны «врезаются в ядро» — это называется захватом электронов и является способом распада некоторых нестабильных изотопов.

Вокруг ядра нет орбиты, поскольку ожидаемое значение углового момента для основного состояния$\psi_0$равен нулю;$\langle{\psi_0}\rangle=0\;.$Поэтому мы не можем говорить о классической модели планеты, как это делал Бор. Кроме того, принцип неопределенности Гейзенберга не позволяет электронам иметь четко определенные орбиты. Электрон находится где-то вне ядра.

Поскольку протон заряжен положительно, а электрон отрицательно, они обладают кулоновской силой притяжения. Но крошечные квантовые частицы, такие как электроны, ведут себя как волны, и их нельзя сжать до слишком малого объема без увеличения их кинетической энергии. Итак, электрон в своем основном состоянии$\psi_0$находится в состоянии равновесия между силой Кулона и странным квантовым давлением.

Электроны не врезаются в ядро ​​атома. Причина глубоко укоренилась в квантовой механике. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, неопределенность положения и импульса связаны соотношением

Однако если электрону удастся врезаться в ядро, то он получит бесконечное количество энергии в соответствии с принципом неопределенности, что нецелесообразно в природе.

Гипотеза о том, что электрон будет излучать, когда он ускоряется по направлению к атомному ядру, основана на немотивированном предположении, что электрон имеет только запаздывающие потенциалы. Если не делается никаких предположений о том, являются ли его потенциалы запаздывающими или опережающими, то разумно предположить, что опережающий и запаздывающий потенциалы одинаково велики. Это приводит к стабильным условиям согласно Nordström 1920.

Г. Нордстрём
Замечание о том обстоятельстве, что электрический заряд, движущийся в соответствии с квантовыми условиями, не излучает
Proc. Рой. акад. Амстердам 22, 145-149 (1920)

Leigh Page 1924 также вычисляет это в

Расширенные возможности и их применение к атомным моделям
Leigh Page
Phys. Rev. 24, 296 - Опубликовано 1 сентября 1924 г.

Пейдж упоминает то, что 97 лет назад считал проблемой

Тем не менее флуктуации энергии будут иметь место в течение каждого периода, и сходящиеся и расходящиеся волны должны объединяться, образуя стоячие волны. Отсутствие каких-либо свидетельств существования таких волн является серьезным возражением против теории.

Сегодня мы знаем, что вакуум действительно содержит много электромагнитных волн.

Пейдж также ссылается на Артура Константа Ланна:

Выход из этой дилеммы был предложен Нордстремом , который показал, что если поле заряженной частицы наполовину запаздывает, а наполовину опережает, а не полностью запаздывает, как обычно предполагается, уравнения Максвелла остаются в силе, и чистая энергия, излучаемая электроном в описывающее периодическую орбиту, обращается в нуль. То же самое предложение было предложено Ланном на коллоквиуме в Висконсине в 1922 году.

Подумайте немного дальше. Когда электроны ускоряются ближе к ядру, они излучают некоторую энергию, которая заполняет вакуум и рассеивается другими электронами, ускоряя их. Это, наконец, становится условием равновесия. Это было рассчитано Путхоффом в 1987 году.

Основное состояние водорода как состояние, определяемое нулевыми флуктуациями
HE Puthoff
Phys. Ред. D 35, 3266 - Опубликовано 15 мая 1987 г.

@user56903, @dmckee и @user41827 указывают на то, что электроны действительно врезаются в ядро, и, вероятно, довольно часто. Но они не излучают непрерывно, пока не потеряют столько энергии, что застрянут в ядре. Вместо этого, по-видимому, они обычно выплевываются обратно со всей значительной энергией, которая у них была. Только когда ядро ​​находится в правильном состоянии, чтобы поглотить эту энергию, они остаются.

Когда планетарная модель атома потерпела неудачу, существовали различные способы исправить ее.

1. Решите, что существуют некоторые обстоятельства, при которых ускоренный заряд не излучается, и попытайтесь охарактеризовать эти обстоятельства.

2. Ищите способы, которыми электроны могли бы ускоряться, подавляя излучение, которое они производят. Если бы два электрона находились на одной круговой орбите, разнесенной на 180 градусов, компенсировалось бы их излучение? (Возможно, нет.) Если бы они находились на одной и той же орбите с противоположным вращением, взаимно ли они сошлись бы? (В то время кто мог знать? Я не думаю, что тогда они знали о спине электрона.) И т.д.

3. Представьте, как электроны могли бы держаться подальше от ядра, не ускоряясь. Например, может существовать сила, похожая на Сильную Силу, которая отталкивает их, если они подходят слишком близко. Он будет следовать своеобразным законам, которые можно разработать.

4. Представьте, что электроны — это не маленькие шарики, а маленькие нитевидные штуки. Каждый раз, когда один из них вращается точно вокруг своей орбиты, его излучение прекращается. (Не совсем, но я уверен, что есть способы схитрить.) Точно так же, если он переносится ровно два раза, ровно три раза и т. д.

Есть множество способов представить это, и я уверен, что многие из них можно было бы адаптировать к реальным данным.

Насколько я понимаю, физики того времени искали математику, соответствующую данным, и на этом останавливались. Иногда кто-то пытается объяснить математику, и чаще всего терпит неудачу. Например, мы можем сказать, что электроны — это волны, а иногда это стоячие волны, а поведение стоячих волн — бла-бла-бла. Или принцип неопределенности Гейзенберга требует не только того, что вы не можете все измерить, но и того, что все действительно и действительно неопределенно, и поэтому электроны не двигаются и не излучают. Поскольку математика дает правильные ответы, на самом деле не имеет значения, какое объяснение мы используем, когда пытаемся махнуть рукой.

Планета, вращающаяся вокруг звезды с эксцентриситетом меньше единицы, должна была бы потерять кинетическую энергию, чтобы попасть в звезду по спирали. Это может произойти в долгосрочной перспективе для планетной системы из-за излучения гравитационного излучения и из-за приливных сил, нагрева звезды или планеты с последующим радиационным охлаждением. В квантовой механике такого быть не может.

Если планета имеет эксцентриситет, равный единице, аналогичный s-орбитали, она врезается прямо в звезду, где ее кинетическая энергия преобразуется в тепло. Опять же, в квантовой механике этого не может быть.

Объясняет ли квантовая механика, почему такого атомного коллапса не происходит, или только каким образом, это вопрос интерпретации. Обратите внимание, что захват электрона некоторыми ядрами, как обсуждалось в других ответах, требует учета слабого взаимодействия. Я интерпретирую первоначальный вопрос как относящийся к любому ядру, а не только к тем, которые восприимчивы к электронному захвату.

Хотя все эти ответы принципиально правильны, особенно в отношении Шредингера и оболочечной модели электронов, существует одно очень простое средство радиоактивного распада — захват электронов, который еще не обсуждался. Да, действительно, электроны, вращающиеся вокруг атома, могут быть захвачены ядром. (Для справки см. http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_capture) Электронный захват — это процесс, при котором богатый протонами нуклид поглощает внутренний атомный электрон, тем самым превращая ядерный протон в нейтрон и одновременно вызывая испускание электронного нейтрино. Далее следуют различные выбросы фотонов, поскольку энергия атома падает до основного состояния нового нуклида. Электронный захват — это обычный способ распада изотопов с избытком протонов в ядре. Что интересно в явлении электронного захвата, так это то, что оно зависит не от электронов в электронном облаке атома, а скорее от ядра. Таким образом, нельзя игнорировать тот факт, что поведение электронного захвата зависит исключительно от ядра, а не от электронов. Например, если ядро ​​состоит, например, из углерода-9, 100% этого изотопа распадется за счет электронного захвата на 9-бор. И все же Углерод-14, который имеет тот же электрический заряд и то же количество электронов в идентично сконфигурированном электронном облаке, никогда не распадается в результате электронного захвата. Квантовая физика, особенно когда ответ фокусируется на электронах атома, не может объяснить поведение электронного захвата с достаточной достоверностью. Таким образом, отвечая на ваш вопрос, электроны действительно попадают в ядро ​​посредством явления электронного захвата, но это поведение нельзя объяснить, исследуя квантовую физику электронов.