88 ŚWIAT NAUKI Luty 2010 Odpowiada prof. dr hab. Jan Mostowski z In- stytutu Fizyki PAN: Na początek dobrze byłoby uświadomić sobie istotę prob- lemu. Wiemy z obserwacji, że obiekty obdarzone ł adunkami elektrycznymi o przeciwnych znakach przyciągają się i „spadają” na siebie, często „przykleja- jąc się”. Jednak w przypadku dodatnio naładowanego jądra i znajdujących się w jego pobliżu ujemnie naładowanych elektronów tak nie jest. W najprostszym modelu atomu wodo- ru elektron krąży wokół jądra, podobnie jak Ziemia wokół Słońca. Planety nie spadają na gwiazdy, więc może analo- giczne prawa działają w atomie? Jednak w myśl klasycznych praw elektromagne- tyzmu, naładowana cząstka – elektron, krążąc wokół j ądra, powinna traci ć energię w postaci promieniowani a elek- tromagnetycznego, a w związku z tym przybliżać się do jądra. Zarówno intui- cja, jak i klasyczna teoria elektromag- netyzmu prowadzą do wniosku, że elek- tron powinien spaść na jądro. Tak się jednak nie dzieje. Atomy są trwałe. Trzeba przyjąć ten fakt i na tej podstawie budować teorię atomów i in- nych mikroskopowych cząstek. Powstała ona na początku XX wieku, a nazywamy ją teorią kwantów. Nie jest intuicyjna, choć opiera się na kilku prostych zało- żeniach. Jedno z nich to zasada zacho- wania energii. Drugie – istnienie stanu (a więc konfiguracji elektronów i ją- dra) o najmniejszej energii, co oznacza, że elektron nie może bez ograniczeń oddawać swojej energii poprzez pro- mieniowanie. Kolejnym jest istnienie stałej, nazywanej stałą Plancka, która wyznacza obowiązujące w mikroświecie skale wielkości. W atomie wodoru ska- la 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. Doświad- czenia zdobyte przy okazji obserwacji przyrody nie pozwalają na intuicyjną interpretację tego wyniku. Należy przy- jąć do wiadomości, że fizyka kwantowa wprowadza nową, nieznaną w fizyce klasycznej skalę odległości. Stabilność atomu można zrozumieć, odwołując się do zasady nieoznaczo- ności, wynikającej z teorii kwantów. Według niej, jeśli elektron jest zloka- lizowany w pewnym obszarze, to jego pęd (czyli iloczyn masy i prędkości) nie może być zbyt mały. Jego minimal- na wartość jest propor- cjonalna do stałej Plancka i odwrotnie proporcjonal- na 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 elek- tronu jest mniejsza . Stąd wniosek, że istnieje najbar- dziej optymalny obszar wo- kół jądra, w którym może znajduje się elektron, gdy jego całkowita energia jest najmniejsza. Ma on rozmiar około 10 –10 m. Dalsze zbliża- nie się elektronu do jądra prowadziłoby do zwiększania jego energii. Ostatecz- nie odpowiedź na postawione pytanie brzmi: elektron w atomie znajduje się w takiej odległości od jądra, żeby jego całkowita energia była minimalna. n Pytania prosimy kierować na adres redakcji: Świat Nauki, ul. Garażowa 7, 02-651 Warszawa, lub e-mailem: [email protected] JAK I DLACZEGO www.swiatnauki.pl/jakidlaczego ? M I R O S Ł A W G R Y Ń Dlaczego elektron nie spada na jądro atomowe? Katarzyna PłaczeK z KamioneK K. Poznania
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
8/3/2019 Dlaczego elektron nie spada na jądro atomowe?
http://slidepdf.com/reader/full/dlaczego-elektron-nie-spada-na-jadro-atomowe 1/1
88 ŚWIAT NAUKI Luty 2010
Odpowiada prof. dr hab. Jan Mostowski z In-
stytutu Fizyki PAN: Na początek dobrzebyłoby uświadomić sobie istotę prob-lemu. Wiemy z obserwacji, że obiektyobdarzone ładunkami elektrycznymio przeciwnych znakach przyciągają sięi „spadają” na siebie, często „przykleja- jąc się”. Jednak w przypadku dodatnio
naładowanego jądra i znajdujących sięw jego pobliżu ujemnie naładowanychelektronów tak nie jest.
W najprostszym modelu atomu wodo-ru elektron krąży wokół jądra, podobnie jak Ziemia wokół Słońca. Planety niespadają na gwiazdy, więc może analo-giczne prawa działają w atomie? Jednakw myśl klasycznych praw elektromagne-tyzmu, naładowana cząstka – elektron,krążąc wokół jądra, powinna tracićenergię w postaci promieniowania elek-tromagnetycznego, a w związku z tymprzybliżać się do jądra. Zarówno intui-cja, jak i klasyczna teoria elektromag-
netyzmu prowadzą do wniosku, że elek-tron powinien spaść na jądro.
Tak się jednak nie dzieje. Atomysą trwałe. Trzeba przyjąć ten fakt i na tejpodstawie budować teorię atomów i in-nych mikroskopowych cząstek. Powstałaona na początku XX wieku, a nazywamy ją teorią kwantów. Nie jest intuicyjna,
choć opiera się na kilku prostych zało-żeniach. Jedno z nich to zasada zacho-wania energii. Drugie – istnienie stanu
(a więc konfiguracji elektronów i ją-dra) o najmniejszej energii, co oznacza,że elektron nie może bez ograniczeńoddawać swojej energii poprzez pro-mieniowanie. Kolejnym jest istnieniestałej, nazywanej stałą Plancka, którawyznacza obowiązujące w mikroświecieskale wielkości. W atomie wodoru ska-la ta wynosi około 10 –10 m, co oznacza,że w atomie wodoru elektron w stanieo najniższej energii znajduje się w takiejwłaśnie odległości od jądra. Doświad-
czenia zdobyte przy okazji obserwacjiprzyrody nie pozwalają na intuicyjnąinterpretację tego wyniku. Należy przy- jąć do wiadomości, że fizyka kwantowawprowadza nową, nieznaną w fizyceklasycznej skalę odległości.
Stabilność atomu można zrozumieć,odwołując się do zasady nieoznaczo-
ności, wynikającej z teorii kwantów.Według niej, jeśli elektron jest zloka-lizowany w pewnym obszarze, to jego
pęd (czyli iloczyn masyi prędkości) nie może byćzbyt mały. Jego minimal-na wartość jest propor-cjonalna do stałej Planckai odwrotnie proporcjonal-na do rozmiarów obszaru.Prowadzi to do powstaniaograniczenia na minimalnąwartość energii kinetycznej
elektronu, która jest tymwiększa, im mniejszy jestobszar, w którym on sięznajduje. Z drugiej strony,elektron i jądro przyciągająsię, a więc im są bliżej, tymenergia potencjalna elek-tronu jest mniejsza. Stądwniosek, że istnieje najbar-dziej optymalny obszar wo-kół jądra, w którym możeznajduje się elektron, gdy jego całkowita energia jest
najmniejsza. Ma on rozmiarokoło 10 –10 m. Dalsze zbliża-nie się elektronu do jądra prowadziłobydo zwiększania jego energii. Ostatecz-nie odpowiedź na postawione pytaniebrzmi: elektron w atomie znajduje sięw takiej odległości od jądra, żeby jegocałkowita energia była minimalna. n
Pytania prosimy kierować na adresredakcji: Świat Nauki,ul. Garażowa 7, 02-651 Warszawa,lub e-mailem: [email protected]
JAK I DLACZEGOwww.swiatnauki.pl/jakidlaczego
?
M I R O S Ł A W G
R Y Ń
Dlaczego elektron nie spada na jądro atomowe?Katarzyna PłaczeK z KamioneK K. Poznania
Related Documents
