Τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια έχουν αντίθετα φορτία, οπότε γιατί δεν τραβιέται το ένα το άλλο;

Σε αντίθεση με τα φορτία έλκονται μεταξύ τους, αλλά τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια εντός του χώρου ενός ατόμου δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Η κβαντική φυσική προσπαθεί να εξηγήσει τον λόγο πίσω από την απουσία αυτής της απαγορευμένης αλληλεπίδρασης.

Η βάση του ερωτήματος "Γιατί τα ηλεκτρόνια δεν συγκρούονται με τα πρωτόνια;" προέρχεται από το πλανητικό μοντέλο ενός ατόμου Rutherford.

Αυτό είναι ένα υπερβολικά απλοποιημένο μοντέλο ενός ατόμου ως κεντρικού πυκνού πυρήνα που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια, με ηλεκτρόνια να περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα, μια ιδέα δομημένη στο ηλιακό σύστημα. Η κβαντική φυσική προσπαθεί να εξηγήσει αυτή την αλληλεπίδραση λιγότερο αφηρημένα.

Μοντέλο Rutherford ως επέκταση του ηλιακού συστήματος

Πλανητικό μοντέλο ενός ατόμου (Photo Credit :Fotofolia &Shutterstock)

Αυτό το μοντέλο απέτυχε να εξηγήσει τη σταθερότητα ενός σωματιδίου σε μια κυκλική διαδρομή, αλλά άφησε ένα ανεξίτηλο ερώτημα που παραμένει για γενιές:Γιατί τα ηλεκτρόνια δεν καταλήγουν να τραβούν τα πρωτόνια τους;

Ο Ράδερφορντ υπέθεσε ότι η σταθερότητα ενός ηλεκτρονίου είναι μια ισορροπία μεταξύ της φυγόκεντρης δύναμης του περιστρεφόμενου ηλεκτρονίου και των ελκτικών δυνάμεων του πυρήνα. Είναι μια τέλεια υπόθεση εικόνας, αλλά μη βιώσιμη!

Γιατί το πλανητικό μοντέλο του Ράδερφορντ δεν είναι έγκυρο;

Ένα φορτισμένο σωματίδιο που περιστρέφεται σε μια τροχιά πρέπει να αλλάξει κατεύθυνση, με αποτέλεσμα την επιτάχυνση. Ένα φορτισμένο επιταχυνόμενο σωματίδιο θα χάσει ενέργεια στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και τελικά θα καταρρεύσει στον πυρήνα.

Ωστόσο, αυτό δεν συμβαίνει. Ένα άτομο είναι εξαιρετικά σταθερό, επομένως πρέπει να απομακρυνθούμε από το κλασικό φυσική και περιστροφή προς το κβαντικό φυσική για απάντηση.

Εξέλιξη της δομής ενός ατόμου

Χρονογραμμές στη δομή ενός ατόμου (Φωτογραφία :sousou07/Shutterstock)

• (1803) Το μοντέλο της μπάλας του μπιλιάρδου του Dalton για ένα άτομο ως αδιαίρετη οντότητα. Σήμερα, γνωρίζουμε ότι ένα άτομο διαιρείται σε υποατομικά σωματίδια.
• (1904) Το μοντέλο της πουτίγκας του Thomson ενσωμάτωσε ηλεκτρόνια σε μια σφαίρα θετικών φορτίων. Η θεωρία απέτυχε μετά την ανακάλυψη του πυρήνα από τον Rutherford και την ομάδα του.
• (1911) Το πυρηνικό μοντέλο του Rutherford πρότεινε ότι το άτομο έχει μια μικρή, πυκνή, κεντρική περιοχή, που ονομάζεται πυρήνας, που αποτελείται από θετικά φορτισμένα σωματίδια. Τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια περιστρέφονταν σε τροχιές γύρω από τον πυρήνα. Αυτό το μοντέλο, που βασίζεται στο πλανητικό μοντέλο, δεν εξηγεί τη σταθερότητα ενός ατόμου.
• (1913) Το κβαντικό μοντέλο του Niels Bohr βασίστηκε επίσης σε ένα πλανητικό μοντέλο, αλλά εδώ, τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται σε μονοπάτια με σταθερή ενέργεια που ονομάζονται τροχιές. Τα κενά μεταξύ των τροχιών είναι απαγορευμένα για το ηλεκτρόνιο. Αυτό το μοντέλο αποκλείει τη σπειροειδή διέλευση ηλεκτρονίων σε πρωτόνια λόγω των «απαγορευμένων μονοπατιών» μεταξύ διαφορετικών ενεργειακών επιπέδων.

Ωστόσο, το μοντέλο δεν μπορούσε να εξηγήσει τα φάσματα γραμμής των ατόμων με περισσότερα από ένα ηλεκτρόνια.

• (1926) Στο κβαντομηχανικό μοντέλο του Schrodinger, τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται σε κυκλικές τροχιές αλλά υπάρχουν σε ηλεκτρονικά νέφη . Ένα νέφος ηλεκτρονίων είναι μια περιοχή του χώρου μέσα σε ένα άτομο, όπου υπάρχει 90% πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο. ο χώρος αυτός ονομάζεται τροχιακός.

Οι Schrodinger και Heisenberg πρότειναν θεωρίες και μαθηματικές εξισώσεις για τη σταθερότητα ενός ατόμου, οι οποίες οδήγησαν στη γέννηση της κβαντικής μηχανικής. Σύμφωνα με αυτή τη σχολή φυσικής, η θέση και η ορμή ενός ηλεκτρονίου δεν μπορούν να προσδιοριστούν ταυτόχρονα.

Με το μοντέλο νέφους ηλεκτρονίων ενός ατόμου, δεν υπάρχει απαγορευμένη ζώνη για τη διέλευση των ηλεκτρονίων.

Τότε τι εμποδίζει τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια ενός ατόμου να αλληλεπιδράσουν;

Ένα απλό πείραμα μπορεί να δείξει ότι πρωτόνια και ηλεκτρόνια διαφορετικών ατόμων αλληλεπιδρούν, αλλά πρωτόνια και ηλεκτρόνια του ίδιου ατόμου δεν αλληλεπιδρούν. Τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια έχουν αντίθετα φορτία, επομένως παραδοσιακά θα έλκονταν το ένα από το άλλο.

Αυτό είναι πολύ ξεκάθαρο από ένα πείραμα με μικρό μπαλόνι. Ο στατικός ηλεκτρισμός είναι ένα ηλεκτρικό φαινόμενο κατά το οποίο φορτισμένα σωματίδια μπορούν να μεταφερθούν από το ένα σώμα στο άλλο.

Στατικός ηλεκτρισμός, μεταβατική μεταφορά ηλεκτρονίων (Φωτογραφία :grayjay/Shutterstock

Όταν ένα μπαλόνι τρίβεται σε ένα πουλόβερ ή στα μαλλιά ενός ατόμου, το μπαλόνι αποκτά αρνητικά φορτία. Όταν το αρνητικά φορτισμένο μπαλόνι φέρεται κοντά στον τοίχο, τα ηλεκτρόνια στον τοίχο κινούνται, αφήνοντας εκτεθειμένα τα πρωτόνια, τα οποία αλληλεπιδρούν με τα αρνητικά φορτία στο μπαλόνι.

Όταν τα ηλεκτρόνια από έναν τύπο ύλης έλκονται από τα πρωτόνια ενός άλλου, τότε γιατί το ηλεκτρόνιο και τα πρωτόνια μέσα στο ίδιο άτομο δεν αλληλεπιδρούν; Θεωρητικά, τα ηλεκτρόνια θα πρέπει να μεγεθύνονται απευθείας στον πυρήνα!

Πιθανότητες για πυρηνική σύγκρουση

Τέσσερις έννοιες απαγορεύουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτονίων και ηλεκτρονίων του ίδιου ατόμου.

1. Κινητική και Δυναμική Ενέργεια στην ατομική σταθερότητα.

Ένα ηλεκτρόνιο στον ατομικό χώρο πιο μακριά από τον πυρήνα μεταφέρει δυναμική ενέργεια, αλλά όχι κινητική ενέργεια. Εάν το ηλεκτρόνιο κινηθεί προς το πρωτόνιο, μέρος της δυναμικής του ενέργειας μετατρέπεται σε κινητική και ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Τα ηλεκτρόνια με κινητική ενέργεια συνεχίζουν να πηδούν, γεγονός που τα εμποδίζει να συνδυαστούν με ένα πρωτόνιο.

2. Η τελευταία τράπουλα στο παιχνίδι:η μάχη των απείρων

Εάν το ηλεκτρόνιο εισήλθε στον πυρήνα, δεν θα συνδυαζόταν με το πρωτόνιο. Η δυναμική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου γίνεται αρνητική καθώς πλησιάζει τον πυρήνα και είναι μείον άπειρο μέσα στον πυρήνα. Αντίθετα, η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων συνεχίζει να αυξάνεται και είναι θετική άπειρο μέσα στον πυρήνα, που ονομάζεται ενέργεια περιορισμού. Μια πτώση της δυναμικής ενέργειας είναι διπλάσια από την κινητική ενέργεια. Αυτό θα κάνει το ηλεκτρόνιο να πηδήξει σε απόσταση ίση με την ακτίνα του Bohr, περιορίζοντας έτσι την αλληλεπίδρασή του με τα πρωτόνια.

3. Διπλή φύση ηλεκτρονίων

Σύμφωνα με την αρχή του Heisenberg, η θέση και η ορμή ενός ηλεκτρονίου δεν μπορούν να προσδιοριστούν ταυτόχρονα. Αυτή είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα των μικροσωμάτων, όπως τα ηλεκτρόνια. Έτσι, μέσα στην περίμετρο ενός ατόμου, ένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να θεωρηθεί ως σωματίδιο, αλλά περισσότερο ως κύμα. Έτσι, το ηλεκτρόνιο μπορεί να περάσει μέσα από τον πυρήνα, αλλά δεν μπορεί να πέσει και να παραμείνει στον πυρήνα.

4. Ας το συνοψίσουμε

Μια ένωση πρωτονίου-ηλεκτρονίου πρέπει να σχηματίσει ένα νετρόνιο. Τόσο το φορτίο όσο και η μάζα πρέπει να ταιριάζουν. Από πλευράς φορτίου, το θετικά φορτισμένο πρωτόνιο θα αλληλεπιδράσει με το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο για να σχηματίσει ένα νετρόνιο, αλλά το ταίριασμα μάζας είναι απίθανο. Η μάζα ενός πρωτονίου είναι 1,6726 x 10-27 kg και η μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι 0,00091 x 10-27 kg, αλλά η μάζα ενός νετρονίου είναι 1,6749 x 10-27 kg. Το άθροισμα της μάζας ενός ηλεκτρονίου και του πρωτονίου δεν είναι ίσο με τη μάζα ενός νετρονίου.

Έτσι, για να συνδυαστούν ένα ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο για να σχηματίσουν ένα νετρόνιο, πρέπει να προστεθούν ενέργεια, μάζα ή και τα δύο.

Συμπέρασμα

Τα ηλεκτρόνια μπορεί περιστασιακά να εισέλθουν στον πυρήνα, αλλά είναι απίθανο να αλληλεπιδράσουν με πρωτόνια για να σχηματίσουν ένα νετρόνιο. Διάφορες έννοιες εξηγούν την απουσία αυτής της μοιραίας έλξης:η μάχη των απείρων, η κυματική ιδιότητα του ηλεκτρονίου και το χάσμα στη μάζα ενός νετρονίου στο άθροισμα των μαζών ενός πρωτονίου και του ηλεκτρονίου. Η απαγορευμένη αλληλεπίδραση πρωτονίων και ηλεκτρονίων είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα που διατηρεί ανέπαφα τα άτομα και το Σύμπαν!