Откуда электроны берут энергию для вращения вокруг ядра атома?

Атом лучше всего представить себе как тесное, плотное ядро, окруженное жужжащими электронами. Эта картина сразу же приводит к вопросу:

Как электроны продолжают вращаться вокруг ядра, никогда не замедляясь?

Этот вопрос будоражил умы в начале ХХ века, и поиски ответа в конечном итоге привели к созданию квантовой механики.

В начале 20 века, после бесчисленных экспериментов, физики только начинали составлять целостную картину атома. Они поняли, что каждый Атом имеет плотное, тяжелое, положительно заряженное ядро, окруженное облаком крошечных отрицательно заряженных электронов. Имея в виду эту общую картину, их следующим шагом было создание более подробной модели.

В самых ранних вариантах этой модели ученые черпали вдохновение в Солнечной системе, которая имеет плотное ядро (Солнце), окруженное «облаком» более мелких частиц (планет). Но эта модель скрывала в себе две существенные проблемы.

Во-первых, заряженная частица, которая ускоряется, испускает электромагнитное излучение. А поскольку электроны — заряженные частицы, и они ускоряются на своих орбитах, то должны испускать излучение. Это излучение приведет к тому, что электроны потеряют энергию и быстро свернуться по спирали и столкнуться с ядром. В начале 1900-х годов физики подсчитали, что такая внутренняя спираль займет менее одной триллионной секунды. Но, очевидно, атомы живут дольше пикосекунды.

Вторая проблема была связана с самой природой излучения. Ученым известно, что атому что-то излучают, но на очень дискретных, специфических частотах. Орбитальный электрон, если бы он следовал этой модели Солнечной системы, вместо этого излучал бы все виды длин волн, вопреки наблюдениям.

Квантовое исправление

Знаменитый датский физик Нильс Бор был первым, кто предложил решение этой проблемы. В 1913 году он предположил, что электроны в атоме не могут иметь любую орбиту, какую захотят. Вместо этого они должны были быть привязаны к орбитам на очень определенных расстояниях от ядра. Кроме того, он предположил, что существует минимальное расстояние, которое может преодолеть электрон, и что он не может приблизиться к ядру.

Он не просто вытащил эти идеи из шляпы. Чуть более десяти лет назад немецкий физик Макс Планк предположил, что испускание излучения может быть «квантовано», что означает, что объект может поглощать или испускать излучение только дискретными порциями и не иметь никакого значения, которое ему нужно. Но наименьший размер этих дискретных кусков был константой, которая стала известна как постоянная Планка. До этого ученые думали, что такие излучения непрерывны, то есть частицы могут излучаться на любой частоте.

Постоянная Планка имеет те же единицы измерения, что и угловой момент или импульс объекта, движущегося по окружности. Итак, Бор применил эту идею к электронам, вращающимся вокруг ядра, заявив, что наименьшая возможная орбита электрона будет равна угловому моменту ровно одной постоянной Планка. Более высокие орбиты могут иметь вдвое большее значение, или втрое, или любое другое целое число, кратное постоянной Планка, но никогда ее часть (то есть не 1,3 или 2,6 и т.д.).

Потребовалось бы полное развитие квантовой механики, чтобы понять, почему у электронов такая минимальная орбита и четко определенные более высокие орбиты. Электроны, как и все материальные частицы, ведут себя и как частицы, и как волны. Хотя мы можем представить электрон как крошечную планету, вращающуюся вокруг ядра, мы можем так же легко представить его как волну, огибающую это ядро.

Электрон не может приблизиться к ядру, потому что его квантово-механическая природа не позволяет ему занимать меньше места.

Сложение энергий

Но есть совершенно другой способ исследовать ситуацию, который вообще не опирается на квантовую механику.

Просто посмотрите на все задействованные энергии. Электрон, вращающийся вокруг ядра, электрически притягивается к ядру. Но у электрона также есть кинетическая энергия, которая работает, чтобы отправить электрон в полет.

Для стабильного атома эти два состояния находятся в равновесии. На самом деле полная энергия электрона на орбите, представляющая собой комбинацию его кинетической и потенциальной энергий, отрицательна. Это означает, что вам нужно добавить энергию к атому, если вы хотите удалить электрон. Та же ситуация с планетами на орбитах вокруг Солнца. Чтобы удалить планету из Солнечной системы, вам нужно добавить в систему энергию.

Один из способов увидеть эту ситуацию — представить себе электрон, «падающий» на ядро, притягиваемый противоположным ему электрическим зарядом. Но из-за правил квантовой механики он никогда не сможет достичь ядра. Поэтому он застревает, вечно вращаясь по орбите. Но этот сценарий разрешен физикой, потому что полная энергия системы отрицательна, что означает, что она стабильна и связана вместе, образуя долговечный атом.

СТАНЬ МЕЦЕНАТОМ!! Поддержи LegendaPress пожертвованием, чтоб мы и дальше могли писать для Вас!