Warum fallen oder kollabieren Elektronen nicht um ein Atom herum, wenn ein Objekt schnell beschleunigt?

In Bewegungsgesetzen hat alles eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion, und das gilt für alle Dinge in der Realität.

Wenn sich die Erde plötzlich nur für eine Sekunde nicht mehr bewegt, wird alles auf der Erde in den Weltraum geschleudert. Aber eine plötzliche schnelle Bewegung oder ein plötzlicher Stopp der Bewegung führt nicht dazu, dass die Elektronen die Kontrolle über den Kern oder das Atom verlieren. Warum? (Zum Beispiel: plötzliches Bremsen in einem Auto während der Fahrt mit einer Geschwindigkeit von ca 180 km/h, erzeugt eine massive Impulsübertragung und dieser Impuls beeinflusst nicht den Weg des Elektrons des Autos oder der Person, die im Auto sitzt?) Liegt es an der Stärke der Anziehungskraft zwischen Elektron und Kern?

HINWEIS: Vielen Dank für die Bearbeitung und ich verstehe, dass die Übertragung von Impulsenergie auf das gesamte System übertragen wird, nicht nur auf einen Teil, aber dennoch ist der Impuls für ein Elektron hoch, wenn 180 km / h plötzlich anhalten. Das gesamte Atomfeld wird massiv empfangen durch Impuls verursachte Schwingungen und dennoch wird die Bahn des Elektrons auf atomarer Ebene nicht gestört? und liegt das an der anziehung zwischen elektronen und kern?

Die Beschleunigung eines Autos kann selten 1 g überschreiten, an diesem Punkt lautet die Frage: "Warum fallen Elektronen aufgrund der Schwerkraft nicht einfach zu Boden?")
Ich fühle mich gezwungen, darauf hinzuweisen, dass, während die Rotation die Erdoberfläche mit beeindruckenden 1000 Meilen pro Stunde (ungefähr) in Bewegung hält, die Fluchtgeschwindigkeit bei 25.000 Meilen pro Stunde (ungefähr) liegt. Sie werden also einen traumatischen Aufprall erleben, sobald Ihr Körper etwas berührt, das als Teil der Erde betrachtet wird (und nicht „darauf“). Aber ich sehe dich nicht im Orbit.
@candied_orange Und wenn die Erde aufhören würde sich zu drehen, würde das die Rotationsgeschwindigkeit von allem auf ihr verringern . Die Zentripetalkraft ergibt sich aus der Rotationsgeschwindigkeit relativ zu einem Trägheitsrahmen, nicht dem sich mitbewegenden Rahmen eines rotierenden Objekts. Die zum Stillstand kommende Erde würde die Geschwindigkeit von Objekten relativ zu ihr ändern, hätte jedoch keinen Einfluss auf ihre Geschwindigkeit relativ zu einem Trägheitsrahmen (bis sie durch Reibung langsamer werden).
@Akkumulation Wenn Sie als "dran" betrachtet und nicht auf magische Weise angehalten werden, würden Sie bis zum traumatischen Aufprall mit Dingen, die auf magische Weise angehalten wurden, nicht langsamer werden. Wenn wir jetzt die Rotationsgeschwindigkeit auf magische Weise auf über das 25-fache erhöhen, könnten Sie in den Weltraum fliegen, ohne anhalten zu müssen. Warum? Weil das Spinnen einen Gravitationseffekt erzeugt. Nur in die andere Richtung.
Ich frage mich: Ist diese Frage gleichbedeutend mit: "Was passiert mit den Elektronen, wenn ich mit einem Hammer hart auf ein Stück Stahl schlage; werden sie ihre 'Bahn' ändern?"
@U.Windl Ja, deine Frage ist auch meiner Frage ähnlich.

Antworten (6)

Zuerst, wie andere gesagt haben, übertragen Sie den Autoimpuls auf ein ganzes Atomsystem, nicht nur auf einen Teil davon, wie Elektronen, Kern usw.

Zweitens ist ein Elektron nicht etwas, mit dem man leicht herumspielen kann. Wenn Sie sich das halbklassische Bohr-Atommodell ansehen, bewegt sich ein Elektron mit einer tangentialen Geschwindigkeit um den Kern herum, definiert durch:

v = Z k e e 2 M e R .

So fliegt zum Beispiel das Elektron in einem Wasserstoffatom in Bodennähe erstaunlich mit ≈ 2000   km/s Geschwindigkeit. Das ist ungefähr 1 % von Lichtgeschwindigkeit! Wenn es in einen Elektron-Zentripetalbeschleunigungsbegriff umgewandelt wird, gibt es ungefähr 10 21 G . Somit ist das elektrodynamische System eines Atoms eine sehr stabile Sache.

Das heißt, Sie können ein Elektron aus einem Atom herausdrücken. Dafür benötigen Sie jedoch einen anderen Ansatz, z. B. das Streuen des Wasserstoffkerns mit Hochgeschwindigkeitsneutronen in einem Teilchenbeschleuniger oder das "Strecken" eines Wasserstoffatoms in einem statischen elektrischen Feld, damit es eine Ionisierungsenergie von überwindet 13   eV , oder ein Wasserstoffatom zwingen, ein solches Energiephoton zu absorbieren.

Aber das Elektron bewegt sich nicht wirklich mit dieser Geschwindigkeit oder mit dieser Beschleunigung, richtig? Sonst würde es seine ganze Energie abstrahlen...
@Michael, das Elektron tut etwas um den Kern des Atoms, an dem es befestigt ist, aber wie Sie sagen, bewegt es sich NICHT auf einer kreisförmigen Umlaufbahn um den Kern, oder es würde Energie abstrahlen.
@Michael Im Grunde ist das, was Sie hier definieren, eine UV-Katastrophe , auf die die klassische Physik lange zuvor gestoßen ist. Lösung ist - Quantenmechanik. Es wurde festgestellt, dass Elektron Energie in Quanten abgibt E = H v . Da Elektron im niedrigsten Energiezustand ist N 1 Bodenniveau,- es kann nicht in einen noch niedrigeren Zustand springen (kein solcher Zustand) und als solches kann das Elektron nicht einmal ein bisschen strahlen. Zum Beispiel ist in Wasserstoff das Elektron, das am meisten strahlen kann, die Lyman-Reihe , indem es springt N ≥ 2 → N 1
@Michael Die Berechnung braucht möglicherweise einen zu langen Umweg durch die klassische Mechanik, um überzeugend zu sein, aber eine Abkürzung, um das gleiche Ergebnis zu erzielen, besteht darin, das Coulomb-Kraftgesetz in das Newtonsche Gesetz einzufügen F = M A , was eine Beschleunigung von ergibt ≈ 10 22 M / S 2 = 10 21 G für ein Elektron am Radius des Wasserstoffatoms. Ich denke, eine nette Art, dem eine intuitive Bedeutung zu geben, ist, dass die Kräfte in einem Atom so viel größer sind als die in den Bewegungen, die wir jeden Tag erleben, dass wir uns die Chemie (Atomkräfte) als etwas von der Mechanik (Alltagskräfte) getrenntes vorstellen können.
@AgniusVasiliauskas "Im unteren Zustand können Elektronen kein bisschen strahlen", wenn im unteren Zustand keine Energie vorhanden ist, wie würde es sich dann mit einer solchen Geschwindigkeit (2000 km / s) bewegen? Vielleicht liegt es an der Anziehungskraft um den Kern, aber er hat trotzdem kinetische Energie mit einer solchen Geschwindigkeit erhalten, dass wir nicht sagen können, dass er im niedrigeren Zustand keine Energie ausstrahlen kann.
Du verstehst mich nicht. Die Tatsache, dass ein Elektron Energie hat, sagt nichts darüber aus, ob es sie abstrahlen kann oder nicht. Im niedrigsten Grundzustand geht das nicht. Die beste Analogie wäre, dass Sie, während Sie mit einem Auto oder Fahrrad so schnell wie möglich um die Erde fahren, immer noch nicht näher an den Erdmittelpunkt fallen können, selbst wenn Sie eine potenzielle Energie haben, die relativ zum Mittelpunkt nicht Null ist ( und auch kinetische Energie),- weil du am Boden bist . Ebenso ist ein Elektron, das sich im Boden befindet, zu 100% stabil und kann seine Energie nicht mehr abbauen.

Die Bewegungsgesetze, die Sie zitieren, sind die klassischen Gesetze der Newtonschen Mechanik. Sie gelten als solche nicht auf der Quantenebene, sie sind emergent für Energien und Entfernungen, für die die klassische Mechanik gilt.

In Ihrem speziellen Beispiel ist die Entität das Atom, ein quantenmechanisch gebundener Zustand. Die Elektronen sind im Sinne der klassischen Kinematik nicht vom Kern getrennt. Das ganze Atom beschleunigt, nicht seine einzelnen Bestandteile.

"Das ganze Atom beschleunigt, nicht seine einzelnen Bestandteile." – Aber wenn ich mit dem Finger auf ein Heliumatom stoße, übt mein Finger keine gleichmäßige Kraft auf das ganze Heliumatom aus. Ich könnte mich irren, aber ich denke, was passiert ist, dass die äußersten Elektronen meines Fingers die Elektronen des Heliumatoms abstoßen, aber seine Protonen anziehen. Insgesamt ist die Abstoßung stärker, sodass sich die Elektronen von meinem Finger wegbewegen und die Protonen mit sich führen, obwohl die Protonen von meinem Finger angezogen werden.
@ TannerSwett Du irrst dich. Das Heliumatom ist ein Ganzes, es sei denn, ein Photon trifft mit der Energieniveaudifferenz darauf und stößt das Elektron heraus. Eine Wellenfunktion beschreibt das Heliumatom. Wenn es interagiert, interagiert es als Ganzes.
@TannerSwett Wenn der Kern von einem Neutron mit ausreichender Energie getroffen wird, sollte das Atom seinen Zustand ändern. Das Atom ist nur "ein Ganzes", dh es ändert seinen Zustand nicht, wenn nicht genügend Energie vorhanden ist.
Verformt sich die Wellenfunktion während der Wechselwirkung?
@CarlBerger Die Wellenfunktion wird zum Zeitpunkt dt "erzeugt" (die quantenmechanische Lösung, die die Wechselwirkung beschreibt), wenn die quantenmechanische Wechselwirkung stattfindet, und bleibt gleich, bis eine zweite Wechselwirkung stattfindet, die mit ihren neuen Randbedingungen ein neues Format benötigt (der berühmte Zusammenbruch). Wenn Sie mit Wechselwirkung diejenige meinen, die die Beschleunigung ergibt, sollte diese Wechselwirkung in den QM-Randbedingungen und -Formeln enthalten sein. Nur das Atom interagiert als Ganzes, nicht einzelne Komponenten.
Aber Anna, es ist bekannt, dass ein Atom zerbricht, wenn man es hart genug trifft. Mit anderen Worten, wenn Sie ein Atom stark genug beschleunigen lassen, indem Sie zum Beispiel schnell ein anderes Atom nach oben bringen und es kollidieren lassen, werden sich die Elektronen lösen, genau wie der Fragesteller vorschlägt.
@AndrewSteane "Abfallen oder Kollabieren" widerspricht der Quantennatur der Wechselwirkung entweder mit dem Beschleunigungsfeld oder einer Quantenstreuung, die ein Elektron bei entsprechender Energie für die Ionisierung extrahiert.
"Elektronen sind nicht vom Kern getrennt" Die Elektronen sind mit einem höheren Energieniveau weiter verbreitet und machen mit Ihrer Antwort Sinn, aber wenn sie mehr vom Kern entfernt oder näher am Kern sind, was sie zusammenhält, um sich nicht voneinander zu lösen massive Vibrationen durch den Schwung?
@Titanium Dass die Schwingungen, die Sie sich vorstellen, klassisch sind, während zur Beeinflussung des quantenmechanisch gebundenen Zustands spezifische Energie, quantisiert, aus Quantenwechselwirkungen benötigt wird, um entweder das Energieniveau des Atoms anzuheben oder ein Elektron auszustoßen und das Atom zu ionisieren.
@annav Ok Anna, aber wohin geht diese Impulsenergie? warum wirkt es sich nicht auf Atome aus? Liegt es daran, dass die elektromagnetische Kraft zwischen Elektronen viel stärker ist und die äußere Kraft aus der klassischen Dimension für Quantendimensionen vernachlässigbar ist? Nur die Gezeitenkraft aus dem hinteren Loch oder die Kollision mit einem anderen Partikel zeigt das Ergebnis wegen der starken elektromagnetischen Kraft?
@Titan Der Impuls und die Energie werden vom gesamten Atom aufgenommen. Ich sage immer wieder, weil die Bindungen auf der Ebene der Atome quantenmechanisch sind. Siehe die Wasserstoffwellenfunktion, hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/hydwf.html , die zu der Wahrscheinlichkeit führt, ein Elektron bei (r,theta,phi) zu finden, wenn es misst oder interagiert. siehe meine Antwort hier für die Notwendigkeit der Quantenmechanikphysik.stackexchange.com/questions/421919/…
@Titanium Wir alle sind neugierig auf die QM-Natur, aber wir stellen immer wieder Fragen, ohne zu studieren. Beginnen Sie besser Schritt für Schritt mit dem Studium und finden Sie dann Ihre eigene Antwort. Unser Hauptproblem ist "wir sind daran interessiert zu wissen und hinterfragen, aber nicht zu studieren".
@BillyIstiak Ich bin ein Ingenieur für maschinelles Lernen, habe aber ein tiefes Interesse an Weltraumwissenschaften zusammen mit Teilchenphysik, also ja, ich lerne und habe diese Frage gestellt, weil ich an den alten Theorien von Bohr festhielt und dachte, Elektronen würden umkreisen der Kern als das Sonnensystem, das ist, wo ich so viel Verwirrung gestiftet habe.

Eine Beschleunigung der Ordnung G ≈ 10 MS 2 ist völlig vernachlässigbar im Vergleich zur Beschleunigung eines Elektrons in einem Atom.

Beste Antwort in Anbetracht, aber es wäre cool, einen Stapel oder ein Diagramm zu sehen, das auf den Fluss der Kräfte hinweist. Schließlich kann das Entschleunigen von Dingen sie brechen.
Angenommen, eine imaginäre Drohne bewegt sich mit 60 km / s im Inneren der Erde und plötzlich, wenn die Erde für 1 s stehen bleibt, würde die Drohne nichts erfahren und abweichen? Einfach weil es schneller als die Erdgeschwindigkeit ist, wie kann der von der Erde verursachte Impuls durch Drohnen vermieden werden, wenn die Erde stoppt?
Angenommen, die Drohne ist das Elektron und die Erde als Makromaterie, die die Impulsschwingungen an die Drohne weitergibt.
Das sagen wir Anfängern immer. In der Elektrodynamik ignorieren wir meistens die Wirkung der Gravitationskraft, da die Gravitationskraft zu vernachlässigbar ist als andere Kräfte (Magnetkraft und elektrische Kraft).

Es gibt eine nette Antwort von @annav, ich möchte ein Beispiel geben, bei dem eine bestimmte Art von Beschleunigung theoretisch das Atom zerreißen könnte. Wie Sie den anderen Antworten entnehmen können, wird das Atom (in Bezug auf die Beschleunigung) normalerweise als quantenmechanische Gesamtheit betrachtet und beschleunigt als Ganzes (wie in Ihrem Beispiel).

Jetzt ist hier der Haken. Die Antwort hängt von der Art (und Form) der Beschleunigung ab, dh davon, ob Sie in Ihrem Beispiel die gleiche Beschleunigung für das gesamte Atom als Einheit annehmen. Davon abgesehen sind die starken und EM-Kräfte, die das Atom zusammenhalten, wirklich "stark".

Alles, was über Elementarteilchen hinausgeht, sollte theoretisch auseinandergerissen werden, ja.

Spaghettifizierung auf atomarer Ebene?

Aber nicht unendlich stark. Es wird theoretisch vermutet, dass die Gezeitenkräfte in einem Schwarzen Loch stärker sein könnten als die Kräfte, die das Atom binden, und theoretisch könnte das Atom durch die Gezeitenwirkung der Schwerkraft auseinandergerissen werden. Warum? Weil sich die Beschleunigung so schnell ändert, dass verschiedene "Teile" des Atoms unterschiedlich stark beschleunigt werden können, und dies, wenn die Differenz ein bestimmtes Niveau erreicht, die Bindungskräfte überwinden könnte, was zu einem zerrissenen Atom führt.

Die atomare Bindung ist also so stark und die Energieübertragung des Impulses im täglichen Leben spielt für die atomare Welt keine Rolle? nur die Gezeitenkraft von Schwarzen Löchern und Teilchenbeschleunigern die Bahnen von Elektronen stören kann? Rechts? Wenn es richtig ist, dann sind die Bindungen zwischen dem Elektron und dem Kern eindeutig verrückt.
@Titanium richtig, und verrückt ist es, die starke Kraft, die die Quarks (in Protonen) hält, ist noch stärker.

Aber eine plötzliche schnelle Bewegung oder ein plötzlicher Stopp der Bewegung führt nicht dazu, dass die Elektronen die Kontrolle über den Kern oder das Atom verlieren.

Ein plötzlicher Bewegungsstopp ist nichts, was in der Natur vorkommt, aber als Ganzes ist das, was Sie beschreiben, ein Kollisionsereignis. Abhängig von den beteiligten Energien haben solche Kollisionen das Potenzial, Elektronen aus Atomen herauszuschlagen. Beispielsweise können thermische Kollisionen bei sehr hohen Temperaturen ein Plasma aus Ionen und freien Elektronen erzeugen.

Bei der von Ihnen beschriebenen Kollision mit Geschwindigkeiten im Bereich von 180 km/h ist die Energie viel zu gering, um Elektronen herauszuschleudern und Materie zu ionisieren. Um dies zu erreichen, müssten Sie die Geschwindigkeit auf den Bereich von mehreren zehn km/s erhöhen. Denken Sie an einen Meteoriten, der die Atmosphäre oder den Boden trifft. In dem von Ihnen beschriebenen Fall wird die kinetische Energie in Wärmeenergie und ein Teil der Wärmeenergie in elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich im Infrarotspektrum) umgewandelt.

Wie andere oben kommentiert haben, ist die Ansicht, dass Elektronen kleine Teilchen sind, die auf starren Umlaufbahnen um den Atomkern herumflitzen wie Planeten um einen Stern, völlig überholt. Bohr und Rydberg stellten es vor über hundert Jahren vor. Da war klar, dass das nicht ganz stimmen kann, da Elektronen Energie abstrahlen sollten, wenn sie um den Kern kreisen. Wir wissen, dass alle geladenen Teilchen Energie ausstrahlen, wenn sie beschleunigt werden.

Unser derzeitiges Verständnis ist, dass Elektronen, die an ein Atom gebunden sind, in stationären Zuständen existieren, die jeweils durch eine quantenmechanische Wellenfunktion beschrieben werden. Jeder Elektronenzustand hat eine bestimmte Bindungsenergie. Diese Zustände können jedoch durch externe Felder und thermische Kollisionen beeinflusst werden, wodurch ungleichmäßige zeitabhängige Ladungsverteilungen entstehen, die elektromagnetische Energie abstrahlen. Während Sie dies lesen, strahlt Ihr Körper elektromagnetische Energie mit einer durchschnittlichen Rate von 100 W aus .

Schöne Erklärung. Eigentlich ging mein Denken schief, weil ich mich an alte Bohr- und Rydberg-Theorien klammerte.

Einige der Antworten implizieren, dass die Antwort in den Quanteneffekten des Elektrons liegt, aber es gibt eine ziemlich intuitive Antwort, wenn Sie sich das System als klassisch vorstellen – und ich vermute, die Quantenantwort ist nur eine leichte Modifikation davon.

Wenn Sie den Kern eines Atoms an einer Schnur ziehen könnten, gibt es eine gewisse Geschwindigkeit, bei der, wenn Sie zu stark daran ziehen, das Elektron zurückbleibt.

Vergleich zu Ihrem Beispiel: Bei einem plötzlich anhaltenden Auto fliegt eine Person gegen die Windschutzscheibe. Aber ein Auto, das nicht so plötzlich anhält, verursacht keine Probleme. Denn die Reibung zwischen Person und Auto hält sie trotz der zusätzlichen Trägheitskraft im Gleichgewicht.

Ein anderes Beispiel: Wenn sich die Sonne langsam genug bewegte, würden die Planeten ihr immer noch im Orbit folgen. Aber wenn die Sonne zu schnell weggerissen wurde, konnten viele oder alle Planeten zurückbleiben.

Ich habe nicht über die Person gesprochen, die zur Windschutzscheibe fliegt, ich habe gefragt, was mit den Quantendimensionen von Elektronen passiert. Wird das Elektron von seiner Position gestört? Aber wie auch immer, Anna hat ihr Bestes gegeben und es ist bei weitem so gut.
Okay, aber Sie verstehen, was im klassischen Fall passiert, oder? Sie sollten daran denken, was mit dem Mond passiert, wenn sich die Erde langsam bewegt. Wenn Sie sich vorstellen, dass ein Elektron den Kern umkreist, erhalten Sie die gleiche Intuition.
Das andere notwendige Puzzleteil für diese klassische Intuition ist, wie schnell sich die Elektronen bereits bewegen und welche Größenordnung der Beschleunigung für sie auf ihren "Bahnen" relevant wäre. Die Antwort von Agnius Vasiliauskas enthält diese halbklassischen Zahlen.
Warum fallen oder kollabieren Elektronen nicht um ein Atom herum, wenn ein Objekt schnell beschleunigt?
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