Почему электрон не падает на атомное ядро?

Отвечает prof. dr hab. Jan Mostowski из Института Физики ПАН.

Для начала хорошо бы осознать суть проблемы. Мы знаем из наблюдений, что объекты, обладающие электрическими зарядами с противоположными знаками притягиваются и „падают” друг на друга, часто „лентой”. Однако в случае положительно заряженного ядра и находящихся в его вблизи отрицательно заряженных электронов.

В простейшей модели атома водорода электрон вращается вокруг ядра, как Земля вокруг Солнца. Планеты не падают на звезды, так, может быть, аналогичные законы действуют в атоме? Однако, согласно классических законов электромагнетизма, заряженная частица – электрон, кружась вокруг ядра, должен терять энергию в виде электромагнитного излучения, а в связи с этим приближаться к ядру. Как интуиция, как и классическая теория электромагнетизма приводят к выводу, что электрон должен упасть на ядро.

Однако так не происходит. Атомы вечны. Нужно принять этот факт и на этой основе построить теорию атомов и других микроскопических частиц. Возникла она в начале XX века, а мы называем ее теорией квантов. Не является интуитивно понятным, хотя и основана на нескольких простых принципах. Одно из них-это закон сохранения энергии. Второе – существование состояния (и, следовательно, конфигурации электронов и ядра) с наименьшим энергии, что означает, что электрон не может без ограничений отдавать свою энергию через излучение. Еще одним является наличие постоянной, называемой постоянной Планка, которая определяет, действующие в микромире скале размера. В атоме водорода эта шкала составляет примерно 10-10 м, что означает, что в атоме водорода электрон в состоянии о самой энергии находится на таком расстоянии от ядра. Опыт, накопленный кстати наблюдений природы не позволяют интуитивно понятную интерпретацию этого результата. Следует принять к сведению, что квантовая физика вводит новое, неизвестное в физике классической масштаб расстояния.

Устойчивость атома можно понять, ссылаясь на принцип неопределенности, вытекающей из теории квантов. По ее словам, если электрон находится в какой-то области, то его импульс (т. е. произведение массы и скорости) не может быть слишком мал. Его минимальная величина пропорциональна постоянной Планка и обратно пропорциональна размеру области. Это приводит к возникновению ограничений на минимальное значение кинетической энергии электрона, которая тем больше, чем меньше область, в которой он находится. С другой стороны, электрон и ядро привлекают, а поэтому, чем ближе, тем потенциальная энергия электрона меньше. Отсюда вывод, что существует наиболее оптимальное пространство вокруг ядра, в котором может находится электрон, когда его полная энергия будет наименьшей. Он имеет размер примерно 10-10 м. Дальнейшее приближение электрона к ядру, приведет к увеличению его энергии. В конечном итоге ответ на поставленный вопрос звучит так: электрон в атоме находится на таком расстоянии от ядра, чтобы его общая энергия была минимальной.