Мы все знаем, что для движения нужна энергия. Мы также знаем, что энергия не может браться из ниоткуда и исчезать в никуда. Так как же электроны могут вечно двигаться внутри атома? Откуда они получают энергию для своего движения?
Итак, начнем с простого - с прочтения первого закона Ньютона, особенно той части, где говорится, что движущийся объект продолжает двигаться, если не испытывает никакого сопротивления. Для этого не требуется никакой энергии.
Если катнуть шар по полу, он, скорее всего, замедлится и остановится из-за трения. Но если убрать трение и сделать пол идеально ровным, то шар будет катиться вечно.
Что заставляет Луну и планеты двигаться «с кажущейся неограниченной энергией»? У них же нет этой энергии. Да, но в космосе нет трения. Если бы трение было, кинетическая энергия превратилась бы в тепловую, и планеты остановились бы.
Теперь про электроны.
Классическая физика говорит, что если электрон движется по кругу, он будет излучать энергию в виде электромагнитных волн и замедляться, пока не упадет в ядро. Но он этого не делает. Так что долгое время это было загадкой, почему у электронов есть фиксированные орбиты, и хотя они могут излучать энергию и падать на орбиту с более низкой энергией, существует самая низкая возможная орбита, которая является стабильной. Как такое может быть? Вот тогда появилась квантовая механика, способная решить эту проблему.
Квантовая механика утверждает, что электроны — это волны, а орбиты — это стабильные волновые функции. Они похожи на резонансы в трубе, в которых могут существовать только определенные длины волн, поскольку волны должны усиливать друг друга, а не гасить.
Как только электрон падает на самую низкую орбиту, он НЕ может падать дальше. А поскольку каждая орбита может содержать только один электрон, некоторые электроны должны оставаться на более высоких орбитах. Похожие орбиты группируются в оболочки, которые могут содержать различное количество электронов.
Когда электрон прыгает с одного энергетического уровня на другой, поглощая или испуская фотон, он не считается движущимся в классическом понимании, и, к всеобщему удивлению, было обнаружено, что это даже не мгновенный процесс (детали этого все еще прорабатываются). Однако было обнаружено, что подобно тому, как кузнечик готовится к прыжку, сгибая ноги, электрон делает то же самое, только без ног. На самом деле можно обнаружить скачок до того, как он произойдет, и предотвратить его!
В общем, внутри атома нет никакого магического источника неограниченной энергии, если хотите, и это НЕ может стать основой какого-то бесконечного источника питания. К сожалению.