автор: Пол Саттер
Атом лучше всего визуализировать как плотное, плотное ядро, окруженное жужжащими, вращающимися по орбите электронами. Эта картина немедленно приводит к вопросу: как электроны продолжают вращаться вокруг ядра, не замедляясь? Это был животрепещущий вопрос в начале 20 века, и поиск ответа в конечном итоге привел к развитию квантовой механики .
В начале 20-го века, после бесчисленных экспериментов, физики только начали собирать воедино связную 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 стало создание более подробной модели. В самых ранних попытках этой модели ученые черпали вдохновение из солнечной системы , которая имеет плотное «ядро» (солнце ) , окруженное «облаком» более мелких частиц (планет). Но эта модель внесла две существенные проблемы.
Во-первых, заряженная частица, которая ускоряется, испускает электромагнитное излучение . А поскольку электроны являются заряженными частицами и ускоряются во время своего движения по орбите, они должны испускать излучение. Это излучение заставило бы электроны терять энергию и быстро вращаться по спирали и сталкиваться с ядром, согласно данным Университета Теннесси в Ноксвилле . В начале 1900-х годов физики подсчитали, что такая внутренняя спираль займет менее одной триллионной секунды, или пикосекунды. Поскольку атомы, очевидно, живут дольше пикосекунды, это не сработает.
Вторая, более тонкая проблема была связана с природой излучения. Ученые знали, что атомы испускают излучение, но они делают это на очень дискретных, определенных частотах. Орбитальный электрон, если бы он следовал этой модели солнечной системы , вместо этого испускал бы все виды длин волн, вопреки наблюдениям.
Квантовое решение
Известный датский физик Нильс Бор был первым, кто предложил решение этой проблемы. В 1913 году он предположил, что электроны в атоме не могут просто иметь любую желаемую орбиту. Вместо этого они должны быть заперты на орбитах на очень определенных расстояниях от ядра, согласно записи в Нобелевской премии для его последующего награждения . Кроме того, он предположил, что существует минимальное расстояние, которого может достичь электрон, и что он не может приблизиться к ядру ближе. Он не просто вытащил эти идеи из шляпы. Чуть более десятилетия назад немецкий физик Макс Планк предположил, что излучение излучения может быть «квантованным», то есть объект может поглощать или испускать излучение только дискретными порциями и не иметь желаемого значения, согласно справочной странице HyperPhysics в Университете штата Джорджия . Но наименьший размер этих дискретных порций был константой, которая стала известна как постоянная Планка. До этого ученые считали, что такие излучения непрерывны, то есть частицы могут излучать на любой частоте. Постоянная Планка имеет те же единицы, что и угловой момент, или импульс объекта, движущегося по окружности. Поэтому Бор импортировал эту идею для электронов, вращающихся вокруг ядра, заявив, что наименьшая возможная орбита электрона будет равна угловому моменту ровно одной постоянной Планка. Более высокие орбиты могут иметь значение, вдвое большее, или втрое больше, или любое другое целое кратное постоянной Планка, но никогда не дробное (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 частицы материи, ведут себя и как частицы, и как волны. Хотя мы можем представить себе электрон как крошечную планету, вращающуюся вокруг ядра, мы можем так же легко представить его как волну, обертывающуюся вокруг этого ядра. Волны в ограниченном пространстве должны подчиняться особым правилам. Они не могут иметь любую длину волны; они должны состоять из стоячих волн, которые помещаются внутри пространства. Это как когда кто-то играет на музыкальном инструменте: если вы закрепите концы гитарной струны, например, то только определенные длины волн будут помещаться, давая вам отдельные ноты. Аналогично, электронная волна вокруг ядра должна помещаться, и ближайшая орбита для электрона к ядру задается первой стоячей волной этого электрона. Дальнейшие разработки в области квантовой механики продолжат совершенствовать эту картину, но основная идея остается неизменной: электрон не может приблизиться к ядру, поскольку его квантово-механическая природа не позволяет ему занимать меньше места.
Сложение энергий
Но есть совершенно другой способ рассмотреть ситуацию, который вообще не опирается на квантовую механику: просто посмотрите на все вовлеченные энергии. Электрон, вращающийся вокруг ядра, электрически притягивается к ядру; он всегда притягивается ближе. Но у электрона также есть кинетическая энергия, которая заставляет его улететь. Для стабильного атома эти два параметра находятся в равновесии. Фактически, полная энергия электрона на орбите, которая является комбинацией его кинетической и потенциальной энергий , отрицательна. Это означает, что вам нужно добавить энергию к атому, если вы хотите удалить электрон. Та же ситуация и с планетами на орбите вокруг Солнца: чтобы удалить планету из Солнечной системы, вам нужно добавить энергию в систему.
Один из способов рассмотреть эту ситуацию — представить себе электрон, «падающий» к ядру, притягиваемый его противоположным электрическим зарядом. Но из-за правил квантовой механики он никогда не сможет достичь ядра. Поэтому он застревает, вечно вращаясь по орбите. Но этот сценарий допускается физикой, потому что полная энергия системы отрицательна, что означает, что она стабильна и связана, образуя долговечный атом.
Первоначально опубликовано в Live Science 21 января 2011 г. и переписано 22 июня 2022 г.