ФИЛЬТР ИСТИНЫ
Реальная физика
Реальная физика

    Почему электроны не падают на ядро? Да потому что их нет в атоме

    2023-06-15  Разместил: total-selena @  Просмоты: 120
    Почему электроны не падают на ядро? Да потому что их нет в атоме

    Мыслеизлияние жертвы образования по поводу электронов в атомах. Ему уже под 40. Он мучительно пытается найти ответ там, где его нет. Вот так, авторитетами, псевдонаука и выворачивает мозги людям.

    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 разноимённые заряды притягиваются.

    Почему же тогда электроны не падают на ядро? А если падают, то когда? И вот я получил PhD, дожил до 36 лет, но у меня не было хорошего ответа на этот вопрос. Такого, чтобы убедил меня самого, и я бы мог им убеждать других. А ведь вопрос фундаментальнейший не только для физиков, но и для химиков и, рискну предположить, что для всех образованных людей.

    Стал я искать ответ в интернете. Гугл и яндекс выдают пёстрый набор сайтов: от академических журналов до блогов на хабре. Все щеголяют ссылками на научные авторитеты, кроют заумными словами и двухэтажными формулами, а объяснение, почему же электроны не падают, у всех разное. «Что-то тут не так», – подумал я, и перед моими глазами сложилась следующая диаграмма объяснений с осями «правильно – неправильно» и «понятно – непонятно»:

    не понятно электроны атомы

    Ни одно объяснение не обходится без предисловия о модели Бора. Его руководитель Резерфорд предложил планетарную модель атома: электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Ведь форма закона Кулона (F = kq1q2 / r2) аналогична закону всемирного тяготения (F = Gm1m2 / r2). Но по законам электродинамики Максвелла заряженная частица, движущаяся с ускорением (а любое непрямолинейное движение требует ускорения), излучает электромагнитную энергию, и электрон, потеряв всю кинетическую энергию, упал бы на ядро за примерно 15 пикосекунд (триллионных долей секунды). А он, такой-сякой, не падает.

    Идурацкая модель атома в 1913 году датчанин Нильс Бор предположил: а что если электроны могут двигаться только по волшебным орбитам, на которых они не излучают? Это свойство не выводилось из положений и формул классической физики, а постулировалось без попыток ответить на вопрос «почему». Мы залезли внутрь атома, столкнулись с чудом, противоречащим нашей интуиции, и можем только подгонять математический аппарат для описания явленного чуда. И Бору в рамках своей модели удалось объяснить некоторые экспериментальные свойства одноэлектронных атомов.

    Школьное объяснение часто на этом и заканчивается: была проблема, пришёл Бор и своим постулатом её снял. Слава квантовой механике! Её невозможно понять, её надо запомнить и сдать на экзамене. Но нейтральный одноэлектронный атом – это только водород (один протон + один электрон, если мы говорим о самом распространённом изотопе водороде-1 – протии). Для многоэлектронных атомов, начиная с атома гелия (гелий-4: ядро из двух протонов и двух нейтронов и два электрона), модель Бора ничего не могла предсказать. Было непонятно, как учесть взаимодействие электронов между собой.

    Постулат Бора оказался всего лишь моделью, приближённой, устаревшей и неправильной. И начинают как грибы после дождя плодиться лженаучные теории, на которые ведут верхние ссылки, если задать вопрос о падении электронов на яндексе или поискать ролики на ютубе.

    Цитирую: «Электроны не падают на ядро атома, потому что их в атоме просто нет. И ядра как такового тоже нет».

    total-selena: Вот здесь хорошая заявка на истину, но дальше свернет с пути истинного.

    Ядерная физика буддизма: «Интенсивность элемента соединения (вода) тормозится элементом движения, поэтому электрон не падает на ядро, а вращается вокруг него». «Электрон в составе атома – волна, а значит не имеет массы. Нет массы нечему и падать». Кто-то вспоминает, что абсолютный нуль температуры (0 Кельвинов) недостижим, а потому электроны постоянно находятся в тепловом движении, которое не даёт им упасть на ядро. Другие рассказывают о «внутреннем потенциале» электрона, о котором не знают физики, зато знает наука под названием «экзоосмос». А креационисты прямо заявляют, что электроны держит бог: как волос не упадёт с головы человека без его воли, так и электроны не падают на ядро.

    непойми чтоФилософы же говорят, что мы суть существа, состоящие из стабильных атомов от мозга до кончиков ногтей, поэтому мы можем мыслить и экспериментировать только в такой Вселенной, где электроны на ядра не падают. Во вселенных, где электроны на ядра падают, невозможна биохимия, а потому нет и наблюдателей, чтобы лицезреть сиё падение. Это так называемый антропный принцип, которым можно объяснить очень многие физические величины и феномены вплоть до появления жизни.

    На фоне этих бредней объяснение через принцип неопределённости, которое любят излагать ютуберы из Индии, кажется научным. В 1927 году Вернер Гейзенберг открыл, что погрешности в наблюдении положения (?x) и импульса (?p; импульс – произведение массы на скорость: p = mv) не могут быть нулевыми и связаны с постоянной Планка соотношением: ?x • ?p ≥ h / 4π. Если подставить в него значения для размера ядра и массы электрона, то получится, что обнаруженный в ядре электрон должен двигаться со скоростью в 100 раз больше скорости света, что запрещает уже теория относительности. И потому электрон не может упасть на ядро: Гейзенберг с Эйнштейном не велят. (С релятивистской поправкой, что p = mv/(1 – v2/c2)1/2, скорость будет ниже световой, но тогда ж не объяснить непадающие электроны принципом неопределённости).

    И всё выглядело бы прекрасно, если бы электроны на ядро не падали. 1) В 1937 году Луис Альварес экспериментально наблюдал превращение ванадия-48 в титан-48 по механизму электронного захвата (его ещё называют «K-захват»). В некоторых нестабильных изотопах, ядро которых относительно богато протонами, но бедно нейтронами (как правило более лёгкие, чем стабильные изотопы данного элемента), внутренний электрон может быть захвачен ядром, после чего протон и электрон превращаются в нейтрон и испускается электронное нейтрино. Результатом этого «алхимического» превращения будет понижение заряда ядра на единицу с сохранением массового числа:

    карбон боронНо это не «максвелловское» падение электрона на ядро. Периоды полураспада через электронный захват могут составлять дни, годы, миллиарды лет, а не пикосекунды. В школе об электронном захвате не рассказывают. Сторонники объяснения стабильности атома через принцип неопределённости тоже не любят касаться этой темы. Только-только объяснили, почему электроны не падают на ядро, и тут оказывается, что некоторые электроны на ядро всё же падают: нехорошо получается. Правильная теория должна объяснить не то, почему никакие электроны не падают на ядро, а почему электроны не падают на ядро рубидия-85, но падают на ядро рубидия-83.

    2) В те же 1930-е годы Субраманьян Чандрасекар теоретически рассчитывал процесс эволюции звёзд и показал, что при больших гравитационных давлениях ядра собравшихся в недрах звёзд атомов захватывают свои электроны. Происходит так называемая нейтронизация, которая предшествует вспышкам сверхновых и образованию нейтронных звёзд. То есть если очень надо, электроны на ядра падают. Нейтронные звёзды, состоящие, как следует из названия, из нейтронов, не фантастика, а наблюдаемые астрономами объекты.

    электрон позитрон3) Наконец, в 1951 году Мартин Дойч получил позитроний – систему, состоящую из электрона (отрицательно заряженного) и его античастицы позитрона (положительно заряженного). Её можно рассматривать как аналог атома водорода, где протон заменили на другой положительный заряд той же величины. И электрон с позитроном прекрасно друг на друга падают и аннигилируют (превращаются в гамма-кванты энергии) за наносекунды. Никакой принцип неопределённости или тепловое движение не спасает. Так почему же электрон не падает аналогичным образом на протон?

    квантовые модели атомовУ физиков к тому времени уже была более мощная модель, чем атом Бора, – уравнение Шрёдингера. В электрическом поле ядра электрон вместо занятия фиксированных орбит принимает только фиксированные значения энергии. В этих состояниях он не излучает и не теряет энергию. Электрон больше не рассматривается, как классический шарик с определённым радиусом, а как квантовая частица-волна – статичный «туман» вокруг ядра. У конкретного электрона нет фиксированного расстояния до ядра. Он существует везде, и мы можем рассчитать вероятность обнаружить его в любой точке Вселенной. Для атома водорода рисуют красивые функции-орбитали – математические решения уравнения Шрёдингера, которые показывают вероятностные электронные облака, соответствующие разным энергетическим уровням. (Решение уравнения Шрёдингера для многоэлектронных систем – отдельное развлечение, на котором основана вся квантовая химия).

    Закон Кулона проявляется в том, что плотность вероятности экспоненциально уменьшается при удалении от ядра – всё-таки разноимённые заряды хотят быть поближе друг к другу. Но чем ближе к ядру, тем меньше объём: радиальное распределение вероятности – произведение плотности вероятности на объём слоя – имеет максимум, совпадающий с радиусом боровской орбиты. В атомном ядре, которое имеет маленький, но конечный объём, вероятность нахождения электрона мала, но никогда не нулевая.

    Получается, что шрёдингеровский электрон всегда частично находится в ядре. Можно ли сказать, что он уже упал на ядро? Что вообще значит «упасть на ядро» в применении к электрону? Он как мячик падает и отскакивает без изменений? Или как чашка: упадёт и разобьётся, перестав быть электроном? А, может, электрон – это бутерброд: упадёт и будет лежать, но его можно подобрать и съесть? Хорошая теория должна объяснить три экспериментальных случая «падения» электрона, перечисленные выше: 1) электронный захват; 2) нейтронные звёзды; 3) аннигиляция позитрония. Посмотрим, как современная физика отвечает на эти вопросы.

    Что будет делать электрон, оказавшись в ядре, зависит уже не от уравнения Шрёдингера, а от других факторов. Тут уже нужна не просто квантовая механика, а Стандартная модель (у самой продвинутой физической теории такое будничное название). Уровни энергии в ядре определяет сильное взаимодействие между протонами и нейтронами. Без этой фундаментальной силы нельзя было бы объяснить, почему одноимённо заряженные протоны в ядрах держатся вместе, а не отталкиваются по закону Кулона. Для стабильных ядер, таких как рубидий-85, энергии внутриядерных превращений намного выше, чем энергия электрона, поэтому он сосуществует с ядром без последствий, оказываясь, то близко, то далеко, то внутри ядра. Подвергающиеся электронному захвату ядра, например, рубидий-83, близки по энергии к другому более устойчивому ядру той же массы, но с меньшим зарядом ядра (в данном случае криптону-83). В этом случае электрон может «прореагировать» с протоном через ещё одну фундаментальную силу – слабое взаимодействие. Протон состоит из трёх кварков: двух верхних и одно нижнего. Электрон переворачивает один кварк вверх дном и получается нейтрон, состоящий из двух нижних и одного верхнего кварка (я понимаю, что написал ересь с физической точки зрения, но мне нравится метафора переворачивания кварка с ног на голову). И это я ещё не использовал страшное слово «W-бозон»:

    С позитронием всё ещё проще. Позитрон, будучи антивеществом, не дружит с обычным веществом. Волновые функции электрона и позитрона в позитронии пересекаются. Потому аннигиляция позитрония – быстрый и энергетически выгодный процесс. Уравнения квантовой электродинамики очень точно предсказывают экспериментальные величины времени жизни позитрония и выделяющейся при его распаде энергии. А вот система «протон + электрон» (атом водорода-1) энергетически устойчивее «голого» нейтрона, поэтому в обычных условиях в ней не происходит никакого электронного захвата. Как же тогда образуются нейтронные звёзды? Гравитация вдавливает электрон в ядро против его воли?

    Вквантовая механика лженаукаы, возможно, слышали, что квантовая механика не дружит с общей теорией относительности и учёные до сих пор не могут их объединить в единую «теорию всего». Но это применимо только к чёрным дырам (я без понятия, что происходит с атомом, ставшим частью чёрной дыры – это тема для отдельного исследования), а для образования нейтронных звёзд у современной физики есть подходящая теория. Тут понадобится применить принцип Паули: в одной квантовой системе два электрона не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии. Этот принцип тоже ниоткуда не выводится, а принимается на веру для описания того, что мы наблюдаем в микромире. Когда гравитация сжимает атомы до плотности «вырожденного электронного газа», электроны хотят избежать смешения с электронами соседних атомов, чтобы не нарушить принцип Паули. Энергия разрешённых уровней всё растёт и растёт, и для атомов становится выгоднее, если «лишние» высокоэнергетические электроны будут захвачены ядром в процессе, который называют обратным бета-распадом. Получившиеся нестабильные изотопы с избытком нейтронов и рады бы распасться, но энергия испускаемых электронов слишком мала, чтобы они заняли доступный энергетический уровень.

    Сложно? Не нравится – предложите лучше. Стандартная модель – всего лишь одна из возможных математических моделей описания физической реальности. В её пользу физики приводят не только предсказание бозона Хиггса, но и существование компьютеров. Как открыли квантовую механику, так смогли создать транзисторы, а на их основе компьютеры. Если «экзоосмос» или «чёрт-из-коробочки» креационистов смогут создать нечто полезнее ролика на ютубе, например, квантовый компьютер, физики бросятся изучать их теории.

    ***
    Итак, ответ на вопрос «Почему электроны не падают на ядро?», который меня устроил, таков: Квантовые системы не подчиняются классическому закону Кулона. С ненулевой вероятностью электрон может находиться где угодно, в том числе внутри атомного ядра, но за исключением некоторых специальных случаев, такая встреча электрона с протоном не имеет последствий. [В комментариях физики пояснили, что закон Кулона для квантовых систем сохраняется. Нарушаются законы классической механики в том, как электрон себя ведёт под действием кулоновского притяжения].

    Вы удовлетворены таким ответом? Или правильный ответ другой? Буду признателен, если укажете на мои ошибки. В моей голове физика всегда плохо укладывалась, и школьная программа с этим вопросом плохо справляется. Если после модели Бора не переходить сразу к уравнению Шрёдингера, то по-хорошему надо выкинуть из учебников эту историческую теорию, чтобы она не смущала юные умы и не плодила заявления, что учёные сами ничего не знают, не понимают и не могут объяснить, почему электроны не падают на ядро.


    angelУкажем на ошибки. Из учебников нужно выкинуть и двоечника Резерфорда, и проныру Бора, и параноика Шредингера. И только после этого в головах школьников наладится. А у тебя, родной, не наладится уже никогда. Вероятность не больше чем наличие электрона в атоме.

    Квантовая механика и квантовая химия - это диагноз. За обилием наукообразной помпезности люди не видят реальный мир. А ответ на задолбавший уже даже детей вопрос ужасно прост: Атом без протонов и электронов

    ИХТАМНЕТ по очень простой причине : не нужны.

    Самый простой вечный двигатель который тебя сильно удивит Самый простой вечный двигатель который тебя сильно удивит предыдущая статья
    Физика аномальных явлений. Страшинский М.А. следующая статья Физика аномальных явлений. Страшинский М.А.

    Комментарии: 0

    первый комментарийВаш комментарий будет первым


    Ваш логин

    Смайлы. Нажать вместо кнопки: Комментировать

    Загрузить изображение:
    Цивилизации и технологии | Фильтр истины Мембрана.рус
    2022-2023
    Мембрана.рус ®

    О сайте

    Размещение контента

    Авторский коллектив