Откуда электроны получают энергию для вращения вокруг ядра атома?

Атом лучше всего представить в виде плотного ядра, окруженного жужжащими, вращающимися по орбитам электронами. Эта картина сразу же приводит к вопросу: как электроны продолжают кружиться вокруг ядра, никогда не замедляясь?

Этот вопрос остро стоял в начале 20 века, и поиск ответа на него в конечном итоге привел к развитию квантовой механики.

В начале XX века после бесчисленных экспериментов физики только начали составлять целостную картину атома. Они поняли, что каждый атом имеет плотное, тяжелое, положительно заряженное ядро, окруженное облаком крошечных отрицательно заряженных электронов. С учетом этой общей картины следующим шагом было создание более детальной модели.

В самых первых попытках создания такой модели ученые черпали вдохновение в Солнечной системе, где есть плотное «ядро» (Солнце), окруженное «облаком» из более мелких частиц (планет). Но в этой модели возникли две существенные проблемы.

• Во-первых, заряженная частица, которая ускоряется, испускает электромагнитное излучение. А поскольку электроны являются заряженными частицами и ускоряются во время движения по орбитам, они должны испускать излучение. По данным Университета Теннесси в Ноксвилле, это излучение заставило бы электроны потерять энергию, быстро закрутиться в спираль и столкнуться с ядром. В начале 1900-х годов физики подсчитали, что такая внутренняя спираль займет менее одной триллионной доли секунды, или пикосекунды. Поскольку атомы, очевидно, живут дольше пикосекунды, это не могло сработать. (1)
• Вторая, более тонкая проблема 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 излучал бы всевозможные длины волн, что противоречит наблюдениям.

Квантовое исправление

Известный 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 быть заперты на орбитах на очень конкретных расстояниях от ядра, как говорится в цитате из Нобелевской премии. Кроме того, он предположил, что существует минимальное расстояние, которого может достичь электрон, и что он не может двигаться ближе к ядру. (2)

Он не просто вытащил эти идеи из шляпы. Немногим более десяти лет до этого немецкий физик Макс Планк предложил, что излучение может быть «квантованным», то есть объект может поглощать или испускать излучение только дискретными частями, а не иметь любое значение, которое он захочет. Но наименьший размер этих дискретных кусочков был константой, которая стала известна как постоянная Планка. До этого ученые считали, что такие излучения являются непрерывными, то есть частицы могут излучать с любой частотой. (3)

Постоянная Планка имеет те же единицы измерения, что и момент импульса, или импульс объекта, движущегося по кругу. Бор перенес эту идею на электроны, вращающиеся вокруг ядра, сказав, 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 никакую долю от нее (то есть не 1,3 или 2,6 и так далее).

Потребовалось бы полное развитие квантовой механики, чтобы понять, почему электроны имеют такую минимальную орбиту и четко определенные более высокие орбиты. Электроны, как и все частицы материи, ведут себя и как частицы, и как волны. Хотя мы можем представить электрон как крошечную планету, вращающуюся вокруг ядра, мы также легко можем представить его как волну, обернувшуюся вокруг этого ядра.

Волны в ограниченном пространстве должны подчиняться особым правилам. Они не могут иметь любую длину волны; они должны быть составлены из стоячих волн, которые вписываются в пространство. Это похоже на то, как человек играет на музыкальном инструменте: если, например, прижать концы гитарной струны, то только определенные длины волн будут соответствовать, что даст вам отдельные ноты. Точно так же волна электрона вокруг ядра должна уместиться, а ближайшая орбита электрона к ядру задается первой стоячей волной этого электрона.

Будущие разработки в области квантовой механики будут продолжать уточнять эту картину, но основной смысл остается: электрон не может стать ближе к ядру, потому что 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 задействованные энергии. Электрон, вращающийся вокруг ядра, электрически притягивается к ядру; он всегда притягивается ближе. Но у электрона также есть кинетическая энергия, которая работает, чтобы отправить электрон в полет.

В стабильном атоме эти две энергии находятся в равновесии. На самом деле, полная энергия электрона на орбите, которая является комбинацией его кинетической и потенциальной энергий, отрицательна. Это означает, что вы должны добавить энергию к атому, если хотите удалить электрон. Такая же ситуация и с планетами, вращающимися вокруг Солнца: чтобы удалить планету из Солнечной системы, необходимо добавить энергию в систему.

Один из способов рассмотреть эту ситуацию – представить, что электрон «падает» 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 такой сценарий допускается физикой, поскольку общая энергия системы отрицательна, а значит, она стабильна и связана вместе, образуя долговечный атом.

Live Science