Почему электроны в атоме не перестают двигаться?

Представление «обычной физики» об атомах с вращающимися электронами, вращающимися вокруг ядра, как маленькие спутники, неприменимо, потому что оно игнорирует квантовые эффекты, которые преобладают в масштабе атома.

Электрон в движении несет с собой определенное количество кинетической энергии, когда он летит, просто потому, что его температура выше абсолютного нуля. Если электрон свободно перемещается в пространстве, он может увеличивать или уменьшать свою кинетическую энергию почти на любую величину, сталкиваясь и отталкиваясь от других объектов (например, электронов), которые движутся немного быстрее или медленнее, но если вы ограничите движение электрона, (например) помещая удобный протон рядом, чтобы закон Кулона притягивал его, тогда вы обнаружите, что электрон не может обладать любым количеством энергии, которое он пожелает, и он не может перейти с одного энергетического уровня на любой другой произвольный энергетический уровень, как только он попадает в ловушку электростатического захвата протона. Тогда он может обладать только определенными дискретно разделенными энергетическими уровнями, называемыми орбиталями .

На самой низкоэнергетической орбите электрон движется как вероятностное облако в трехмерном пространстве, окружающем протон, и не имеет возможности уменьшить свою кинетическую энергию, поэтому остается там.

Добавление еще одного протона к ядру позволяет другому электрону поселиться вокруг него аналогичным образом, но два электрона не только отталкивают друг друга, но и правила уровней энергии, налагаемые квантовой механикой, заставляют электроны выстраиваться в линию по их вероятности. облака неслучайным образом, который становится все более и более сложным по мере того, как все больше и больше электронов присоединяются к все более и более высоким орбитальным энергетическим уровням.

В Википедии есть красивая графика этих орбиталей с названиями вроде 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d10 и т. д., каждая из которых имеет разный размер и форму — и все это вытекает из квантовой механики.

Теперь мы можем нарисовать для каждой отдельной частицы результирующую силу, действующую на эту частицу.

Не на уровне атомов, электронов, протонов и нейтронов нельзя. Было сочтено необходимым изобрести теорию квантовой механики для описания молекул и атомов и их состава.

Протоны и нейтроны удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием (о котором я действительно ничего не знаю...), но как насчет электронов?

Сила — это то же самое понятие на квантовом уровне и классически, только когда определяется как dp/dt, взаимодействие с передачей импульса. Классический кулоновский потенциал используется в квантово-механическом уравнении и определяет энергетические уровни, которые электрон может занимать в конкретном атоме, но, как и на вашем рисунке, можно предсказать только орбитали, локусы вероятности, где электрон может быть обнаружен при измерении. , орбитали , а не орбиты. Электроны на разных орбиталях не взаимодействуют, поэтому атомы стабильны, они должны оставаться на заданном энергетическом уровне. Они не отталкиваются, как классические частицы, потому что все кулоновские взаимодействия были учтены при решении уравнения квантовой механики с правильным потенциалом для получения уровней энергии и орбиталей. См. примератом водорода.

Электростатическая сила$\frac{1}{4 \pi \epsilon_0} \frac{q_1 q_2}{r^2}$. Это зависит от расстояния между зарядами. Если у вас есть атом с$N$протоны и$N$электронов, и вы должны были посмотреть на силы, действующие на 1 конкретный электрон, это повлекло бы за собой суммирование сил всех$N$протоны на нем, а также$N-1$другие электроны. Расстояния между этими частицами и одним электроном, на который вы смотрите, имеют большое значение, и почти наверняка их сумма не будет точно равна$0$.

Есть довольно грубая картина, которая иногда вызывается. На этой грубой картинке все электроны движутся так быстро, что в основном «размазаны» сферическим образом на постоянном радиусе от ядра. Как вы знаете, из теоремы Ньютона об оболочках электрон не будет ощущать никакой результирующей силы, находясь внутри одной из этих сферических оболочек. Итак, если есть$N$электроны, и мы смотрим на$n^{th}$самый внешний, он почувствует силу притяжения со стороны$N$протонов, а также сила отталкивания от$n-1$другие электроны, которые находятся в меньшей оболочке, чем она. Грубо говоря, он почувствует силу притяжения$(N - n + 1) \frac{1}{4 \pi \epsilon_0} \frac{e^2}{r^2}$к центру атома.

Поскольку все электроны будут грубо ощущать общую направленную внутрь силу, они должны продолжать двигаться, чтобы не врезаться в ядро, подобно тому, как планеты должны иметь некоторую орбитальную скорость, чтобы не врезаться в солнце.

Очевидно, чтобы получить действительно правильную картину того, что происходит, вам нужно рассматривать электроны как волновые функции и использовать уравнение Шрёдингера.