nauki ścisłe
Autor: Jan Mostowski | dodano: 2012-08-09
Dlaczego elektron nie spada na jądro atomowe?

Dlaczego elektron nie spada na jądro atomowe?

Odpowiada prof. dr hab. Jan Mostowski z Instytutu Fizyki PAN.

Na początek dobrze byłoby uświadomić sobie istotę problemu. Wiemy z obserwacji, że obiekty obdarzone ładunkami elektrycznymi o przeciwnych znakach przyciągają się i „spadają” na siebie, często „przyklejając się”. Jednak w przypadku dodatnio naładowanego jądra i znajdujących się w jego pobliżu ujemnie naładowanych elektronów tak nie jest.

W najprostszym modelu atomu wodoru elektron krąży wokół jądra, podobnie jak Ziemia wokół Słońca. Planety nie spadają na gwiazdy, więc może analogiczne prawa działają w atomie? Jednak w myśl klasycznych praw elektromagnetyzmu, naładowana cząstka – elektron, krążąc wokół jądra, powinna tracić energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego, a w związku z tym przybliżać się do jądra. Zarówno intuicja, jak i klasyczna teoria elektromagnetyzmu prowadzą do wniosku, że elektron powinien spaść na jądro.

Tak się jednak nie dzieje. Atomy są trwałe. Trzeba przyjąć ten fakt i na tej podstawie budować teorię atomów i innych mikroskopowych cząstek. Powstała ona na początku XX wieku, a nazywamy ją teorią kwantów. Nie jest intuicyjna, choć opiera się na kilku prostych założeniach. Jedno z nich to zasada zachowania energii. Drugie – istnienie stanu (a więc konfiguracji elektronów i jądra) o najmniejszej energii, co oznacza, że elektron nie może bez ograniczeń oddawać swojej energii poprzez promieniowanie. Kolejnym jest istnienie stałej, nazywanej stałą Plancka, która wyznacza obowiązujące w mikroświecie skale wielkości. W atomie wodoru skala ta wynosi około 10–10 m, co oznacza, że w atomie wodoru elektron w stanie o najniższej energii znajduje się w takiej właśnie odległości od jądra. Doświadczenia zdobyte przy okazji obserwacji przyrody nie pozwalają na intuicyjną interpretację tego wyniku. Należy przyjąć do wiadomości, że fizyka kwantowa wprowadza nową, nieznaną w fizyce klasycznej skalę odległości.

Stabilność atomu można zrozumieć, odwołując się do zasady nieoznaczoności, wynikającej z teorii kwantów. Według niej, jeśli elektron jest zlokalizowany w pewnym obszarze, to jego pęd (czyli iloczyn masy i prędkości) nie może być zbyt mały. Jego minimalna wartość jest proporcjonalna do stałej Plancka i odwrotnie proporcjonalna do rozmiarów obszaru. Prowadzi to do powstania ograniczenia na minimalną wartość energii kinetycznej elektronu, która jest tym większa, im mniejszy jest obszar, w którym on się znajduje. Z drugiej strony, elektron i jądro przyciągają się, a więc im są bliżej, tym energia potencjalna elektronu jest mniejsza. Stąd wniosek, że istnieje najbardziej optymalny obszar wokół jądra, w którym może znajduje się elektron, gdy jego całkowita energia jest najmniejsza. Ma on rozmiar około 10–10 m. Dalsze zbliżanie się elektronu do jądra prowadziłoby do zwiększania jego energii. Ostatecznie odpowiedź na postawione pytanie brzmi: elektron w atomie znajduje się w takiej odległości od jądra, żeby jego całkowita energia była minimalna.

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 02/2010 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
20
W 1985 r. Microsoft zaprezentował system operacyjny Windows 1.0.
Warto przeczytać
Czy znasz powiedzenie że matematykowi do pracy wystarczy kartka, ołówek i kosz na śmieci? To nieprawda! Pasjonującą, efektowną i praktyczną matematykę poznaje się dopiero w laboratorium.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Jan Mostowski | dodano: 2012-08-09
Dlaczego elektron nie spada na jądro atomowe?

Dlaczego elektron nie spada na jądro atomowe?

Odpowiada prof. dr hab. Jan Mostowski z Instytutu Fizyki PAN.

Na początek dobrze byłoby uświadomić sobie istotę problemu. Wiemy z obserwacji, że obiekty obdarzone ładunkami elektrycznymi o przeciwnych znakach przyciągają się i „spadają” na siebie, często „przyklejając się”. Jednak w przypadku dodatnio naładowanego jądra i znajdujących się w jego pobliżu ujemnie naładowanych elektronów tak nie jest.

W najprostszym modelu atomu wodoru elektron krąży wokół jądra, podobnie jak Ziemia wokół Słońca. Planety nie spadają na gwiazdy, więc może analogiczne prawa działają w atomie? Jednak w myśl klasycznych praw elektromagnetyzmu, naładowana cząstka – elektron, krążąc wokół jądra, powinna tracić energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego, a w związku z tym przybliżać się do jądra. Zarówno intuicja, jak i klasyczna teoria elektromagnetyzmu prowadzą do wniosku, że elektron powinien spaść na jądro.

Tak się jednak nie dzieje. Atomy są trwałe. Trzeba przyjąć ten fakt i na tej podstawie budować teorię atomów i innych mikroskopowych cząstek. Powstała ona na początku XX wieku, a nazywamy ją teorią kwantów. Nie jest intuicyjna, choć opiera się na kilku prostych założeniach. Jedno z nich to zasada zachowania energii. Drugie – istnienie stanu (a więc konfiguracji elektronów i jądra) o najmniejszej energii, co oznacza, że elektron nie może bez ograniczeń oddawać swojej energii poprzez promieniowanie. Kolejnym jest istnienie stałej, nazywanej stałą Plancka, która wyznacza obowiązujące w mikroświecie skale wielkości. W atomie wodoru skala ta wynosi około 10–10 m, co oznacza, że w atomie wodoru elektron w stanie o najniższej energii znajduje się w takiej właśnie odległości od jądra. Doświadczenia zdobyte przy okazji obserwacji przyrody nie pozwalają na intuicyjną interpretację tego wyniku. Należy przyjąć do wiadomości, że fizyka kwantowa wprowadza nową, nieznaną w fizyce klasycznej skalę odległości.

Stabilność atomu można zrozumieć, odwołując się do zasady nieoznaczoności, wynikającej z teorii kwantów. Według niej, jeśli elektron jest zlokalizowany w pewnym obszarze, to jego pęd (czyli iloczyn masy i prędkości) nie może być zbyt mały. Jego minimalna wartość jest proporcjonalna do stałej Plancka i odwrotnie proporcjonalna do rozmiarów obszaru. Prowadzi to do powstania ograniczenia na minimalną wartość energii kinetycznej elektronu, która jest tym większa, im mniejszy jest obszar, w którym on się znajduje. Z drugiej strony, elektron i jądro przyciągają się, a więc im są bliżej, tym energia potencjalna elektronu jest mniejsza. Stąd wniosek, że istnieje najbardziej optymalny obszar wokół jądra, w którym może znajduje się elektron, gdy jego całkowita energia jest najmniejsza. Ma on rozmiar około 10–10 m. Dalsze zbliżanie się elektronu do jądra prowadziłoby do zwiększania jego energii. Ostatecznie odpowiedź na postawione pytanie brzmi: elektron w atomie znajduje się w takiej odległości od jądra, żeby jego całkowita energia była minimalna.