Кто знает, почему электроны не падают на ядро?

[andresol]

Квантовая химия была для меня самым сложным экзаменом в университете. Из разряда «выучил и забыл», но я и выучил её так себе. Итого из курсов физики и общей химии я твёрдо запомнил, что: 1) атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются (или что они делают?) отрицательно заряженные электроны; 2) по закону Кулона

Comments

[alexanderr]

в каком-то смысле принцип Паули следует из простого рассуждения.
рассмотрим оператор перестановки частиц, P. он меняет частицу 1
и частицу 2 местами. тогда P^2=1. тогда P может иметь только
два собственных значения, +1 или -1. +1 это бозоны, а -1 это фермионы.
известно, что электрон это фермион (это можно доказать отдельно).
ну, и все, весь принцип. если два электрона имеют все совершенно одинаковые
квантовые числа (как какие-нибудь бозоны), то при их перестановке местами
знак волновой функции не изменится. следовательно, такого не может быть

[andresol]

А мог квантовый мир оказаться другим? Например, таким, что P^2 ≠ 1. Или что не было бы вообще фермионов, а были только бозоны.

Принцип Паули мне тоже всегда подозрительным казался. Я его специально не изучал (а надо бы) и не стал бы упоминать, если бы без него смог объяснить самому себе образование нейтронных звёзд. Но как математика ваши доводы выглядят логично и элегантно.

[alexanderr]

да, конечно. есть теория про "anyons". когда P^2 не равен одному.

грубо говоря, к каждой частице мысленно приклеивается хвост
и когда мы их переставляем (например, по часовой стрелке), то
эти хвосты запутываются еще больше. для anyons принцип Паули
не действует.

но экспериментально для фермионов он конечно хорошо проверен.
невозможность всем одновременно свалиться в состояние с минимальной
энергией создает некое "давление".

[hexenwoelfin]

[andresol]

Спасибо, что прочитали.
Тема сложная, требует ненулевой подготовки по физике и математике. Я сам разобрался только до тех границ, где мои умственные возможности заканчиваются. Как вывод можно запомнить, что электрон - это не маленький шарик, вращающийся вокруг ядра, а особый квантовый объект, который математически можно представить как волну вероятностей: облако вокруг ядра, где в каждой точке электрон сосуществует с определённой вероятностью.

[hexenwoelfin]

[andresol]

Я сразу предупрежу, что по образованию я химик, а не физик и не математик. Я понимаю, что с электроном проворачивают приём, чтобы описать вероятностной математикой объект, который по-другому описать не получается. Но существует ли он где-либо - это уже почти философский вопрос. Есть несколько интерпретаций квантовой механики, одну из которых в комментариях упоминали, что электрон нигде не существует, пока мы не измерили какое-либо его свойство. Он проявляется в определённой точке как бы ниоткуда. Об этих проблемах с интерпретацией Эйнштейн говорил: «Бог не играет в кости» и с Шрёдингером они придумали «кота Шрёдингера», который одновременно и жив, и мёртв, пока не открыли ящик, где он сидит (пример с котом задумывался, чтобы показать абсурдность квантовой механики). А Бор возражал: «Заткнитесь и считайте вероятности». Очень интересная тема, о которой много статей и книг написано

[hexenwoelfin]

[andresol]

Шрёдингер не зря злится: он этого кота придумал, чтобы показать несостоятельность копенгагенской интерпретации квантовой физики, а он стал её символом. О коте надо отдельный пост писать. Но он именно одновременно и жив, и мёртв, пока мы не открыли ящик, не сколлапсировали его волновую функцию в одно из двух состояний. Шрёдингер и хотел подчеркнуть, что если мы допускаем такой взгляд на элементарные частицы, то в мысленном эксперименте мы можем перенести его и на макрообъекты, например, на кота. С «или жив, или мёртв» не было бы парадокса и таких споров. Но кот Шрёдингера показывает, что нам не понять квантовый мир нашей обыденной интуицией. Только через математические модели.

[hexenwoelfin]

[soshenkov]

Это парадигма Исаака Ньютона. В современной терминологии она звучит так:

"Законы природы выражаются дифференциальными уравнениями".

[soshenkov]

Пример с котом совершенно некорректен ввиду того, что кот - макроскопический объект. Тем более непонятно, что такое живой кот и нет - с точки зрения математики. Этот пример запутывает ещё больше и мне он категорически не нравится.

[andresol]

О коте можно бы было отдельный пост написать. Его широко используют, потому что якобы простой публике так понятнее. А то, что ещё больше запутывают и превращают физику в магию и зоопарк, многие не понимают. У меня к самому себе постоянный вопрос: хочу я писать как интереснее или как правильнее.

[hexenwoelfin]

[andresol]

Так самая первая картинка в этом посте показывает, что это «священный Грааль» научного популяризаторства. Все пытаются, но мало у кого получается. Только если об очень простых вещах писать. С квантовой физикой не верю, что получится.

[rempi]

>> На самом деле-же электрон ведь в какой-то ОПРЕДЕЛЁННОЙ точке в данный момент? Просто мы не можем точно засечь в какой?

Электрон ведет себя как волна, т.е. может находиться в многих точках одновременно. Это происходит при дифракции электронов или при взаимодействии с другими квантовыми системами. При измерении мы определяем факт его нахождения в какой-то определенной точке - 1 или 0. Многократно повторив измерение, например миллион раз, мы можем определить вероятность его нахождения в этой точке. Например, если на 1 000 000 измерений у нас получилось 300 000 единиц и 700 000 нулей - вероятность 0.3 (+/- 0.0005)