Warum hören Elektronen in einem Atom nicht auf, sich zu bewegen?

Das Bild der "gewöhnlichen Physik" von Atomen mit wirbelnden Elektronen, die den Kern wie kleine Satelliten umkreisen, ist nicht anwendbar, weil es Quanteneffekte ignoriert, die auf der Größenskala eines Atoms dominieren.

Ein sich bewegendes Elektron trägt eine bestimmte Menge an kinetischer Energie mit sich, wenn es herumzoomt, einfach weil es über dem absoluten Nullpunkt liegt. Wenn sich das Elektron frei durch den Raum bewegt, kann es seine kinetische Energie um fast jeden Betrag erhöhen oder verringern, indem es mit anderen Dingen (wie Elektronen) kollidiert und von diesen zurückprallt, die sich zufällig etwas schneller oder langsamer bewegen, aber wenn Sie dies einschränken Bewegung eines Elektrons, indem Sie (zum Beispiel) ein geeignetes Proton in die Nähe bringen, sodass das Coulomb-Gesetz daran zieht, dann entdecken Sie, dass das Elektron nicht die gewünschte Energiemenge besitzen kann und nicht von einem Energieniveau auf ein beliebiges anderes wechseln kann Energieniveau, sobald es im elektrostatischen Griff des Protons gefangen wird. Dann kann es nur bestimmte diskret getrennte Energieniveaus besitzen, die Orbitale genannt werden .

Im Orbital mit der niedrigsten Energie zoomt das Elektron als Wahrscheinlichkeitswolke im dreidimensionalen Raum um das Proton herum und hat keine Möglichkeit, seine kinetische Energie zu verringern, also bleibt es dort.

Das Hinzufügen eines weiteren Protons zum Kern ermöglicht es einem anderen Elektron, sich auf ähnliche Weise um ihn herum niederzulassen, aber die beiden Elektronen stoßen sich nicht nur gegenseitig ab, sondern die von der Quantenmechanik auferlegten Energieniveauregeln zwingen die Elektronen, sich in ihrer Wahrscheinlichkeit auszurichten Wolken auf nicht zufällige Weise, was immer komplizierter wird, wenn sich immer mehr Elektronen auf immer höheren und höheren Orbitalenergieniveaus anschließen.

Wikipedia hat einige schöne Grafiken dieser Orbitale, die Namen wie 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d10 und so weiter haben, jedes mit einer anderen Größe und Form – und alle Konsequenzen der Quantenmechanik.

Nun könnten wir für jedes einzelne Teilchen die auf dieses Teilchen wirkende Nettokraft zeichnen.

Nicht auf der Ebene von Atomen, Elektronen, Protonen und Neutronen, das geht nicht. Es wurde als notwendig erachtet, die Theorie der Quantenmechanik zu erfinden, um Moleküle und Atome und ihren Inhalt zu beschreiben.

Die Protonen und die Neutronen werden durch die starke Kernkraft zusammengehalten (von der ich nicht wirklich etwas weiß ...), aber was ist mit den Elektronen?

Kraft ist das gleiche Konzept auf der Quantenebene und klassischerweise nur, wenn sie als dp/dt, eine Impulsübertragungswechselwirkung, definiert wird. Das klassische Coulomb-Potential wird in der quantenmechanischen Gleichung verwendet und definiert die Energieniveaus, die das Elektron in dem spezifischen Atom einnehmen kann, aber wie in Ihrem Bild können nur Orbitale vorhergesagt werden, Wahrscheinlichkeitsorte, an denen das Elektron gemessen werden kann , Orbitale, nicht Bahnen. Die Elektronen in verschiedenen Orbitalen interagieren nicht, deshalb sind Atome stabil, sie müssen auf ihrem gegebenen Energieniveau bleiben. Sie stoßen sich nicht als klassische Teilchen ab, da die gesamte Coulomb-Wechselwirkung bei der Lösung der quantenmechanischen Gleichung mit dem richtigen Potential berücksichtigt wurde, um die Energieniveaus und die Orbitale zu erhalten. Siehe das Beispiel derWasserstoffatom.

Die elektrostatische Kraft ist$\frac{1}{4 \pi \epsilon_0} \frac{q_1 q_2}{r^2}$. Es kommt auf den Abstand zwischen den Ladungen an. Wenn Sie ein Atom mit haben$N$Protonen u$N$Elektronen, und Sie würden die Kräfte auf 1 bestimmtes Elektron betrachten, würde dies bedeuten, die Kräfte von allen zu summieren$N$Protonen darauf, sowie die$N-1$andere Elektronen. Die Abstände zwischen diesen Teilchen und dem einen Elektron, das Sie betrachten, sind von großer Bedeutung und werden sich mit ziemlicher Sicherheit nicht genau summieren$0$.

Es gibt ein ziemlich grobes Bild, das manchmal aufgerufen wird. In diesem groben Bild bewegen sich die Elektronen alle so schnell, dass sie im Wesentlichen kugelförmig mit einem konstanten Radius vom Kern „verschmiert“ sind. Wie Sie aus dem Newtonschen Schalensatz wissen , spürt ein Elektron keine Nettokraft, wenn es sich in einer dieser Kugelschalen befindet. Also wenn es welche gibt$N$Elektronen, und wir betrachten die$n^{th}$Äußersten wird es die anziehende Kraft von der spüren$N$Protonen, sowie die abstoßende Kraft von der$n-1$andere Elektronen, die sich in einer kleineren Schale als sie befinden. So ungefähr wird es eine anziehende Kraft von fühlen$(N - n + 1) \frac{1}{4 \pi \epsilon_0} \frac{e^2}{r^2}$zum Zentrum des Atoms.

Da alle Elektronen ungefähr eine nach innen gerichtete Nettokraft spüren, müssen sie sich weiter bewegen, um nicht in den Kern zu stürzen, ähnlich wie die Planeten eine gewisse Umlaufgeschwindigkeit haben müssen, um nicht in die Sonne zu stürzen.

Um ein wirklich korrektes Bild davon zu bekommen, was vor sich geht, müssen Sie natürlich die Elektronen als Wellenfunktionen behandeln und die Schrödinger-Gleichung verwenden.