为什么电子不会撞入它们“轨道”的原子核?

我无法理解我在基础化学课程中被教授的原子的简单“行星”模型。

尤其是,

  1. 我看不到带负电的电子如何能够保持在带正电荷的原子核周围的“轨道”上。即使电子实际上绕着原子核运行,那么轨道是不是最终会衰变?
  2. 我无法调和行星模型所需的快速移动电子与原子被描述为形成键的方式。如果电子在轨道上放大,它们如何突然“停止”形成键。

你是对的,当考虑电磁力的时候,原子的行星模型是没有意义的。轨道中的电子正在不断加速,并因此放射出能量并落入核中。

“发明”量子力学的原因之一正是这个难题。

玻尔模型提出了解决这个问题,通过规定的轨道被关闭和量化和而电子是在轨道上,从而产生所需的原子,以形成固体和液体的稳定性没有能量可能会丢失。它还解释了从激发原子的光谱中观察到的线在轨道之间的转变。

如果你进一步研究物理学,你将学习量子力学 和公理和假设,它们构成方程式,其解决方案给出了原子模型第一次猜测的确切数字。

量子力学被认为是微观层面所有物理力的基础层面,有时量子力学可以在宏观上看到,例如超导。宏观力量,就像那些由经典电场和磁场产生的力量一样,是微观控制的真实力量的限制例子。


我看不到带负电的电子如何能够保持在带正电荷的原子核周围的“轨道”上。即使电子实际上绕着原子核运行,那么轨道是不是最终会衰变?

是。你给出的是一个证明原子的经典行星模型失败的证明。

我无法调和行星模型所需的快速移动电子与原子被描述为形成键的方式。如果电子在轨道上放大,它们如何突然“停止”形成键。

对。这种类型甚至有更简单的反对意见。例如,氢的行星模型将被限制在一个平面上,但我们知道氢原子并不平坦。

我的问题是,行星模型本身是否以某种方式解决了这些问题(我错过了)[…]

不,行星模型完全是错误的。玻尔模型是早期试图修补行星模型的一种尝试,也是错误的(例如,它预测的是基态中具有非零角动量的平坦氢原子)。

这个问题的量子力学解决方案可以在各种各样的数学和物理复杂程度上得到解决。有关复杂的讨论,请参阅此mathoverflow问题以及其中的答案和参考:https://mathoverflow.net/questions/119495/mathematical-proof-of-the-stability-of-atoms

在最简单的层面上,解决方案就像这样。我们必须完全放弃亚原子粒子在空间中具有明确定义的轨迹的想法。我们有德布罗意关系|p|=h/λ

|p|=H/λ

,其中p

p

是电子的动量,h

H

是普朗克常数,λ

λ

是电子的波长。我们只限于一个维度。假设电子被限制在宽度为L的空间区域

大号

,而且两边都有不透水的墙,所以电子在这个一维“盒子”之外的可能性是零。这个盒子是一个原子的简化模型。电子是一个波,当它被限制在这样的空间时,它就是一个驻波。具有最长可能波长驻波图案具有λ=2大号

λ=2大号

,对应于两个行波与力矩p=±h/2L的叠加

p=±H/2大号

。该最大波长在|上施加最小值 p|

|p|

,这对应于最小的动能。

虽然这个模型是错误的(事实上,它与氢原子的实际描述比玻尔模型更差),但它有正确的成分来解释为什么原子不会崩溃。与玻尔模型不同的是,它具有正确的概念成分,可以将其推广,扩展并更加严格,从而形成对原子的完整数学描述。与玻尔模型不同的是,它清楚地说明了什么是根本上发生的:当我们将一个粒子限制在一个小空间时,我们得到了它的能量的一个下限,因此一旦它以这种能量处于驻波模式,坍塌; 它已经处于尽可能低的能量状态。


将电子视为波的处理已与球谐(图像下)相结合,形成现代理解电子如何“轨道”的基础。

对球谐调微分方程的调整产生了薛定谔方程,它产生了电子轨道结构的可接受模型:

唯一可以精确求解薛定谔方程的元素(其余部分需要近似)是氢:

这些模型预测,电子将进入大部分轨道的原子核的几率为零。在有一段时间电子在核中花费时间的轨道中,据信对于电子与质子结合在能量上是不利的。如果电子仅仅是点电荷,这将是不可能的,但电子的波动性产生了诸如保利除外原理等其他现象的现象。


简单地说,

  1. 玻尔 – 行星模型并没有真正解决这些问题。

波尔是一位天才,他断言原子层面上的现象是轨道运行时的平稳性以及轨道间的离散量子跳跃。这是一个假设,与实验产生了一些共识,并且对量子力学的未来发展非常有帮助,因为它让人们思考了平稳性和离散性。

讨论化学键是完全没有用的。你很难对此感到不舒服。

3它将拉伸一点,但你可以看到海森堡和施罗丁格的量子力学是拯救玻尔行星模型的唯一方法,最终得出一个解释电子周围状态的平稳性(但不再是被视为“轨道”)的核心,并解释离散跳跃作为对外部扰动的反应。但是这需要将电子看作波浪,因此在轨道上没有任何确定的位置。

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