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

[rempi]

Да, все более-менее совпадает с моими представлениями. Действительно, в стабильных атомах s электроны залетают в ядро с небольшой вероятностью, но провзаимодействовать с ним не могут. У нестабильных атомов с избытком протонов может случится электронный захват или они могут испустить позитрон - математически там одни и те же формулы работают. Кстати, в NU, откуда ты взял одну из картинок, в группе Джерри Габриелса сейчас собирают эксперимент по измерению дипольного момента электрона (eEDM), который основан на "залетании" s электронов внутрь ядра тяжелого атома (Th). При этом электрон испытывает влияние очень сильного электрического поля, которое не усредняется в ноль из-за релятивистских эффектов - это позволяет мерить измерить невероятно слабый дипольный момент - до 1е-30 элементарного заряда х см. Проблема в том, что дипольный момент электрона согласно Стандартной модели на семь порядков ниже, такое они померить не могут. Зато могут исключить целый набор альтернативных теорий предсказывающих больший дипольный момент.

Про антисимметрию волновых функций фермионов Саша тебе уже написал, но ИМХО "школьный" принцип Паули возник раньше.

Если интересна квантовая тема в популярном изложении, Георгий Гамов написал книжку Тридцать лет которые потрясли физику - она тоненькая совсем, там почти нет формул, и куча анекдотов и историй. При этом, становление квантовой механики и основные идеи, да еще в историческом контексте в ней изложены очень хорошо. Очень рекомендую, если еще не - https://www.amazon.com/Thirty-Years-that-Shook-Physics/dp/048624895X

ЗЫ: закон Кулона конечно же выполняется в квантовых системах. Но вот описание движения в квантовой системе в рамках классической механики невозможно, квантовые объекты ведут себя как волны.

[andresol]

Спасибо за комментарий. Я рад, что сильно нигде не налажал. О позитронном распаде решил в посте не писать, чтобы не отвлекаться от главной темы. Читал, что для некоторых ядерных превращений, разница в энергия слишком мала, чтобы испустить позитрон, поэтому идёт чистый электронный захват (рубидий-83), а в других случаях два механизма распада случаются параллельно.

Будет ли ненулевой дипольный момент говорить о внутренней структуре электрона? Электрон же тогда должен иметь конечный размер, а не быть точкой? Я не чувствую в себе сил лезть в современную физику. Строение атома важно для каждого химика, а тонкости Стандартной модели above my head.

Книжку при случае посмотрю. Я давно хотел что-нибудь Гамова почитать. Как он научно-популярно пытался сложные вещи объяснить. И исторические анекдоты про учёных я люблю. Может, на тему для новых постов вдохновят.

С законом Кулона не знал, как правильно сформулировать своё итоговое впечатление. Заряд у электрона есть (-1.6 х 10^-19 Кл), а есть ли физический смысл у R (расстояния между зарядами) в применении к квантовым объектам? Я знаю, что в уравнение Шрёдингера кулоновская потенциальная энергия в виде Ze2/R входит, но не было времени разобраться, что именно она значит в этом случае.

[rempi]

>> есть ли физический смысл у R (расстояния между зарядами) в применении к квантовым объектам

Физический смысл тот же, но способ расчета не такой как в классической механике. Т.е. это не расстояние между центрами шаров или материальными точками, а матожидание, которое вычисляется путем усреднения величины R (или 1/R в данном случае) со статвесами пропорциональными вероятности нахождения электрона в данной точке пространства. Т.е. мы берем значение 1/R в каждой точке, умножаем его на квадрат волновой функции электрона (считая протон неподвижным), и складываем все полученные значения. Поскольку волновая функция уже нормированная, нам не надо полученную сумму ни на что делить, она сразу дает среднее значение.

[rempi]

>> Будет ли ненулевой дипольный момент говорить о внутренней структуре электрона? Электрон же тогда должен иметь конечный размер, а не быть точкой?

Фактически, да, он будет означать что центр заряда и центр массы электрона не совпадают. Там есть еще интересные следствия. eEDM будет говорить о нарушении инвариантности CPT-преобразования , т.е. неизменности волновой функции при обращении заряда, четности и направлении течения времени. Я плохо понимаю теорию, но основное ее следствие - нарушение симметрии между веществом и антивеществом, т.к. математически античастицы описываются как частицы двигающиеся в противоположном направлении по времени, как Янус Полуэктович у Стругацких.