Все мы знаем в начальной школе, что электроны — это отрицательно заряженные частицы, населяющие пространство вокруг ядра атома, что протоны заряжены положительно и встроены в ядро вместе с нейтронами, которые не имеют заряда. Я немного читал об электронных орбиталях и о некоторых аспектах квантовой механики, лежащих в основе того, почему электроны занимают только определенные энергетические уровни. Однако...
Как действует электромагнитная сила в поддержании положения электронов? Поскольку положительные и отрицательные заряды притягиваются друг к другу, почему электроны не сталкиваются с протонами в ядре? Были ли когда- нибудь случаи столкновения электронов и протонов, и если да, то что происходило?
На самом деле электроны (по крайней мере, те, что находятся в s-оболочке) действительно проводят какое-то нетривиальное время внутри ядра.
Причина, по которой они проводят много времени вне ядра, по существу квантово-механическая. Если использовать слишком простое объяснение, их импульс ограничен диапазоном, совместимым с захватом (не свободным улететь), и поэтому существует необходимая неопределенность в их местоположении.
Примером физики, возникающей из-за того, что они проводят некоторое время в ядре, является так называемый «бета-захват» , радиоактивный распад, при котором
Чтобы немного расширить эту картину, обратимся к де Бройлю и Бору. Представление Бора об электронных орбитах, ограниченных набором конечных энергий. а частотам можно дать достаточно естественное объяснение в терминах картины де Бройля о всей материи как состоящей из волн частоты требуя, чтобы целое число волн вписывалось в круговую орбиту.
Это приводит к картине атома, в котором все электроны занимают аккуратные круговые орбиты вдали от ядра, и дает одно из объяснений того, почему электроны просто не падают в ядро под действием электростатического притяжения.
Но это еще не все по ряду причин; для наших целей наиболее важным является то, что модель Бора предсказывает минимальный угловой момент для электронов когда экспериментальное значение равно 0.
Продолжая, мы можем решить трехмерное уравнение Шредингера в трех измерениях для водородоподобных атомов:
для электронов в электростатический потенциал для определения волновой функции . Волновая функция связана с вероятностью найти электрон в точке в космосе
куда означает комплексное сопряжение.
Решения обычно записываются в виде
Здесь - сферические гармоники и - обобщенные многочлены Лагерра. Но мы не заботимся о деталях. Достаточно сказать, что эти решения представляют собой плотность вероятности для электронов, размазанную по широкой области вблизи ядра. Также следует отметить, для состояний (также известных как s-орбитали) существует ненулевая вероятность в центре, то есть в ядре (этот факт возникает из-за того, что эти орбитали имеют нулевой угловой момент, который, как вы, возможно, помните, не был свойством атома Бора). ).
Это было основной причиной изобретения квантовой механики.
Простая механика с электромагнетизмом не работает в атомных измерениях, особенно с заряженными электронами. В классическом электромагнетизме электроны излучали бы энергию из-за непрерывного ускорения по круговой траектории и в конце концов падали бы на ядро.
Итак, ответ таков: потому что в микроскопическом мире природа следует уравнениям квантовой механики, а не уравнениям классической механики. Уравнения квантовой механики включают в себя электромагнитные поля, а их решения стабильны и допускают существование атомов, что мы и наблюдали экспериментально с самого начала.
Интуитивный способ состоит в том, чтобы думать о волнах материи. Если бы электрон был точечной частицей, он должен был бы стартовать с определенного места, скажем, где-то на своей орбите, и весь он почувствовал бы электрическое притяжение к ядру и начал бы падать, как камень. Он не мог найти стабильную орбиту, как это делает Луна, поскольку он заряжен и всякий раз, когда он ускоряется, он испускает электромагнитное излучение, как в радиоантенне, передающей радиоволны. Но тогда он теряет энергию и не может поддерживать свою орбиту.
Единственное решение этой проблемы — если электрон сможет каким-то образом стоять на месте. (Или достичь космической скорости, но, конечно, вы спрашиваете об электронах в атоме, так что, согласно гипотезе, у них недостаточно энергии для достижения космической скорости.) Но если она стоит на месте и является точечной частицей, конечно, она будет голову прямо к ядру из-за притяжения.
Ответ: материя состоит не из точечных частиц, а из волн материи. Эти материальные волны подчиняются волновому уравнению. Точка любого волнового уравнения, такого как
Есть определенные формы, которые просто уравновешивают все: например, самая нижняя орбиталь представляет собой бугор с центром в центре ядра и утончается во всех направлениях, как кривая колокола или холм. Хотя все части смазанного электрона могут ощущать притяжение к ядру, существует некий чисто квантово-механический эффект, являющийся следствием этого волнового уравнения, противодействующего этому: если все части приблизится к ядру, горб станет более острый, более острый и высокий пик, но это увеличивает левую часть уравнения (большая кривизна). Это увеличило бы величину правой части, и это большее движение имеет тенденцию снова рассеивать пик. Таким образом, электронная волна в этом конкретном стационарном состоянии
Вот почему квантовая механика необходима для объяснения стабильности материи, чего нельзя было бы понять, если бы все было сделано из массы в виде частиц с определенным положением.
Вот ответ Фейнмана, который я прочитал в первых абзацах его лекций по Фейнману:
Причина, по которой протон и электрон просто не сталкиваются друг с другом, заключается в том, что если бы они столкнулись, мы бы точно знали их положение — если предположить, что один из них стабилен, а какой из них (протон). Если бы мы знали их положение, мы бы совершенно не знали об импульсе, а это означало бы, что он может быть очень большим, по существу, имея больше энергии для побега.
Я заметил, что это поведение, на мой взгляд, похоже на то, как газ в поршне реагирует на оказываемое давление.
Принцип неопределенности Гейзенберга, по сути, отталкивает силу Кулона, но только вероятностно, так что, возможно, они могли бы приблизиться, но не полностью. В противном случае наша неопределенность импульса была бы бесконечной. Вот отношение:
Меньше неопределенности в положении = больше неопределенности в импульсе.
Рон Маймон
ДилитийМатрица