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

[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

[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.

[rempi]

По поводу игры слов с фамилией Бора, вспоминается классическая фраза, которая иногда выскакивает в конце расчета в программе Гауссиан: "Quantum mechanics is Bohring"

[andresol]

Я когда мем с котом выбирал для первой картинки, видел несколько, обыгрывающих эту пару слов:

[zeit22]

Луна же не падает на Землю, хотя и притягивается.

[andresol]

Луна незаряжена, поэтому должна не излучать электромагнитную энергию в отличие от заряженного электрона-планеты.

Я не силён в общей теории относительности, чтобы объяснить, почему Луна не падает по самым современным представлениям. Классическое объяснение, что гравитация GmM/R2 уравновешивается фиктивной (?) центробежной силой mv2/R, меня тоже ставило в тупик, но если недельку посидеть, то разберусь, в чём дело.

[2born]

Ну, ОТО тут излишня:))) Излучение грав.волн при ее движении по орбите настолько слабое, что о нем можно забыть.

[andresol]

Но в ОТО гравитация - это не сила, а искажение пространства? Мне вспоминается некий ролик на ютубе, где изображалось, как Земля пространство в воронку продавливает, а Луна по стенкам этой воронки по кругу катается. Скорее всего, неправильная аналогия, но с «непадением» Луны тоже много заблуждений. Надо объяснять, что Луна постоянно падает на Землю, но так как Земля круглая, летящая с первой космической скоростью Луна не может поверхность Земли догнать? Или через центробежную силу, уравновешивающую гравитацию?

[kleochem]

А что заставляет электрон двигаться и не останавливаться?

[andresol]

В шрёдингеровском описании он не движется - это статичная волна вероятностей в пространстве. Но при этом электрон имеет ненулевой импульс и кинетическую энергию - вот это уже выше моего понимания: надо читать и дальше разбираться.

[rempi]

Ненене. Статичная, вернее стоячая волна - это просто решение стационарного волнового уравнения. В школе и ВУЗах нас приучают что уравнение Шредингера - стационарное, HФ = ЕФ. Но это частный случай, который получают разделением переменных из временно-зависимого уравнения Шредингера i*hbar*dФ/dt = HФ, когда H не зависит от времени. Соответственно, его решение - это волновая функция состоящая из произведения пространственной части (амплитуды) ф и временно-зависимой части вида exp(-i*E*t/hbar). Временно-зависимую часть обычно опускают, но если ее учесть, амплитуда стоячей волны в разных точках пространства начнет меняться как функция времени. Т.е. волна будет двигаться. Например, сферические гармоники p_1 и p_-1 описывающие p-электрон атома водорода, будут вращаться вокруг оси z.

[andresol]

Но кинетическая энергия электрона входит в гамильтониан H - какому движению она соответствует? Вот этому самому колебанию волновой функции dФ/dt? Меняется вероятность - меняется положение электрона?
Чем быстрее вероятность изменяется, тем выше скорость электрона (в метрах в секунду)?

[veniamin1]

"И вот я получил PhD, дожил до 36 лет, но у меня не было хорошего
ответа на этот вопрос. ... Стал я искать ответ в интернете."
----------------------------------------------------------------------------------------
Он отправился в буфет
Покупать себе билет.
А потом помчался в кассу
Покупать бутылку квасу.
-------------------------------
Вениамин

[andresol]

Мне было интересно почитать именно народные мнения по этому вопросу. Если бы не было стольких противоречивых объяснений, то скучно было бы пост писать. Я бы прочитал для себя правильный ответ и пошёл дальше.

[veniamin1]

Вы, таки да, считаете, что ваш пост, - все эти графики, диаграммы и вагоны рассуждений - есть
народные мнения?

Вы, - нет сомнения, - оригинальный мыслитель.
----------------------------------------------------------------------------

[andresol]

Народные мнения я собрал в «уголке заблуждений» в начале поста.
Мне показалось, что вас рассмешило обращение за ответом к интернету, а не к учебнику физики на полке.