Большинство из тех, кто знаком с планетарной моделью строения атома, задавался вопросом. Почему имеющие отрицательный заряд электроны, не падают на ядро, состоящее из положительно заряженных протонов. Со стороны может показаться, что на электроны действуют такие же силы что и на планеты, вращающиеся вокруг солнца. Но, не смотря на похожесть ситуации, происходит это по разным причинам.
Среди любителей научной фантастики, больше близких к фантастике, чем к научной, есть теория. Основанная на внешнем сходстве галактики и планетарного представления структуры атома. Суть ее сходится к тому, что наша галактика — это один атом следующей, более большой галактики. А каждый атом в нашей галактики это отдельная планетарная система, в которой есть еще галактики. Вот такая получается галактическая матрёшка. Я не являюсь сторонником данной теории. Далее попробую разобраться в чем отличие, а в чем сходство у этих двух систем.
Начнем с знакомой нам ещё с начальной школы, планетарной системы. Долго на ней задерживается не буду, поэтому вкратце. В центре находится солнце, вокруг солнца вращаются восемь планет и Плутон. Так называемая девятая, карликовая планета. Мы все, проживаем на третьей планете от солнца под названием Земля. Она вращается вокруг своей оси и вокруг солнца, центра нашей галактики. Солнце тоже двигается и очень быстро, но сейчас не об этом.
Солнце, как центр нашей галактики, очень тяжелое. На него приходится 99,8 % всей массы нашей солнечной системы. Наши планеты не могут отлететь далеко от солнца, потому-то оно их очень сильно держит своей гравитацией. Но и упасть в центр галактики планеты не могут, связанно это с тем, что планеты вращаются вокруг солнца. И на них действует центробежная сила, которая противодействует силе гравитации. Для понятия того, как это устроено, можно представить нехитрый пример. Возьмем мячик, привяжем его на веревку, и удерживая противоположный конец веревки, начнем его вращать по кругу. На мяч будет действовать центробежная сила, которая будет направлена от нашей руки. Мячик все время будет пытаться улететь куда-нибудь подальше. А веревка не будет давать ему это сделать. То-же самое происходит и с нашей планетой, центробежная сила компенсирует силу притяжения к солнцу. Этот баланс сил и удерживает планеты на своем месте. Такое положение дел подтверждается законом всемирного тяготения, предложенный в конце семнадцатого века английским ученым Исааком Ньютоном. Все наверное знают историю, про упавшее на его голову яблоко. Сформулированные им три закона, распространяются на все комические тела и на все объекты на нашей планете. И луна и яблоко и мы с вами, все подчиняется законом Ньютона.
Не сложно предположить, что после предложения Резерфордом планетарной модели строения атома, ученые попытались применить закон Ньютона и для «самой маленькой» системы. Но как я уже говорил, он оказалась не применимой. Сейчас же ученые используют другие способы расчетов и формулировки.
В случае с атомом все оказалось немного сложнее, та модель, которую нам предложил Резерфорд. Не является точным представлением строения атома. Это упрощенная и приближенная к пониманию модель, является очень условной. Никто точно не знает, как правильно представить строение атома, и тем более правильно нарисовать.
То, что нам известно про атом очень похоже на галактическую систему. Отсюда и название, «Планетарная модель атома». В центре находится ядро, которое, как и солнце, составляет большую часть массы всей системы, это 99.99%. Вокруг него вращаются электроны, на которые действует электростатическая сила. Ее суть заключается в том, что ядро имеет положительный заряд, а электрон отрицательный, и согласно закону Кулона, разноименные заряды притягиваются друг к другу. А так как ядро тяжелее, то более легкий электрон притягивается к нему. Эта сила не дает электронам улететь от ядра, так же, как и сила притяжения не дает улететь планетам от солнца.
При попытках объяснения силы, противодействующей электростатической силе, появляется один важный вопрос. Если на электрон действует такая же центростремительная сила ускорения, как и на планеты. То по всем известным законам включая закон сохранения энергии, электрон должен непрерывно излучать энергию. А так как он маленький, то энергия должна кончиться очень быстро, намного быстрее секунды. После чего центростремительная сила должна пропасть и электрон неизбежно бы упал на ядро.
В начале прошлого века, Датчанин Нильс Бор предложил свой вариант объяснения. Он не стал отрицать, ставшей общепринятой, планетарной модели строения атома. Вместо этого он просто выдвинул предположение того, что электрон не подчиняется классическим законам физики. Вместо того чтоб излучать энергию непрерывно, он излучает ее только при переходе с одного энергетического уровня на другой. Теория, предложенная Датчанином, оказалась пригодна только для первого, в таблице Менделеева, атома водорода, и не применима к остальным элемента. Но Нильс Бор сделал очень важный шаг. Он предположил, что электрон не подчиняется всем известным нам законам, это и стало первым шагом в сторону квантовой теории.
В 1920-х годах Австриец Эрвин Шредингер начал разрабатывать квантово-механическую концепцию электронного облака. Согласно квантово-механической теории, Электроны, протоны и нейтроны, из которых состоит атом, можно описать волновыми функциями. Определить точное положение такой частицы невозможно. Но можно предугадать вероятность нахождения в каком-либо месте. В отличие от предыдущих теорий, где электрон представлялся в виде конкретной частицы, находился в определенном месте и двигался в предсказуемом направление. Места, нахождения электрона, формируют так называемое электронное облако. Где вероятность обнаружить электрон высокая, облако становится более плотное. А там, где вероятность найти его меньше, облако становится слабее.
Сейчас нам известно, что электрон является элементарной субатомной частицей. Это значит, что человечество, на данный момент, не знает, из чего он состоит. Ядро атома состоит из нейтронов и протонов. Которые в свою очередь состоят из более простых элементарных частиц под названием кварки. Нейтроны и протоны, из которых состоит ядро атома, называют нуклонами, так как на уровне атомных ядер их довольно сложно различить.
Точного ответа, почему электрон не падает на ядро, сейчас дать никто не сможет. Теории и предположения выдвигаются разные. На мой взгляд, наиболее реалистичная предполагающая, что нуклоны имеют свой магнитный момент, который отталкивает электроны. Если посмотреть на ядро в масштабах целого атома, то у ядра будет преимущественно положительный электрический заряд. Но при рассмотрении нуклонов на уроне элементарных частиц, кварков и глюонов, окажется, что нуклоны имеют отрицательный момент, который и отталкивает электроны.
При рассматривании больших объектов. Таких как пыль, яблоко, луна или солнце. Применение классических законов механики себя оправдываю, с помощью них можно описать движение предметов на нашей планете и движение космических тел. Но когда речь заходит о размерах атома и меньше, то все попытки применить знакомые и понятные нам правила, потерпят неудачу. Для расчетов на таких маленьких масштабах используют специальные уравнения.
Теперь можно подробно ответить на вопросы, поставленные в оглавление. В связи с тем, что телескоп более лёгкий в изобретение, чем электронный микроскоп. Человечество первым изучило строение галактики. С помощью наблюдений были выведены законы, по которым можно предварительно рассчитать траекторию движение небесных тел. Планеты, которые вращаются вокруг солнца, не падают на него из-за удачного баланса центробежной силы и силы гравитации. Если одна из планет перестанет, вращаются вокруг солнца, то она неизбежно начнет падение на солнце.
Вышеописанные заключения не распространяются на объекты атомного масштаба. Сила гравитации там отсутствует, вместо нее электроны притягиваются к ядру с помощью электростатической силы. Которая появляется вокруг любых частиц имеющих заряд. Классические законы механики не могут описать поведение элементарных частиц. На замену им пришли законы, которые могут хотя бы предугадать вероятность появления частицы в том или ином месте. Что касается силы, которая не даёт электрону упасть на ядро, то точного ответа пока нет. Есть много предположений, но общепризнанной теории еще не появилось. Большинство ученых сходится к тому, что электрон это очень сложная частица, которую нельзя рассматривать как обычный объект, и ни о каком ее соблюдении законов классической механики не может быть и речи. В дальнейшем нас ждет много интересных открытий связанных с квантовой механикой. Одним из важных открытий будет появление закона, который сможет, одинаково удачно, описывать движение небесных тел и движение элементарных частиц в атомах.
Если вам понравилась статья, ставьте лайк, подписывайтесь на канал оставляйте комментарии и читайте другие мои публикации.
Что такое электричество?
Почему электричество такое быстрое?
Планетарная модель атома.
