電荷が互いに引き付け合うのとは異なり、原子の空間内の陽子と電子は互いに相互作用しません。量子物理学は、この禁止された相互作用が存在しない理由を説明しようとしています.
「なぜ電子は陽子と衝突しないのか？」という疑問の根幹原子のラザフォード惑星モデルから来ています.
これは、陽子と中性子で構成される中央の高密度の核としての原子の非常に単純化されたモデルであり、電子が核の周りを回転し、太陽系で構造化されたアイデアです。量子物理学は、この相互作用をより抽象的に説明しようとします。
太陽系の拡張としてのラザフォード モデル
原子の惑星モデル (写真提供:Fotofolia &Shutterstock)
このモデルは、円軌道における粒子の安定性を説明できませんでしたが、何世代にもわたって残る消えない疑問を残しました:なぜ電子は陽子を引っ張らないのか?
ラザフォードは、電子の安定性は、回転する電子の遠心力と原子核の引力とのバランスであると仮定しました。 これは完璧な仮説ですが、持続不可能です!
ラザフォードの惑星モデルが無効なのはなぜですか?
軌道上を回転する荷電粒子は方向を変える必要があり、その結果、加速が生じます。荷電加速粒子は電磁放射でエネルギーを失い、最終的に核に崩壊します。
ただし、これは起こりません。原子は非常に安定しているため、古典的から離れる必要があります 物理学と量子へのスピン 答えは物理学。
原子の構造の進化
原子の構造のタイムライン (写真提供者:sousou07/Shutterstock)
- (1803) 不可分の実体としての原子のダルトンのビリヤード ボール モデル。今日、原子は亜原子粒子に分割できることがわかっています。
- (1904) Thomson のプラム プディング モデルでは、正電荷の球体に電子が埋め込まれています。この理論は、ラザフォードと彼のチームによる核の発見で失敗しました。
- (1911) ラザフォードの原子核モデルでは、原子には、正に荷電した粒子からなる原子核と呼ばれる小さくて密度の高い中心領域があると提案されました。負に帯電した電子は原子核の周りを回っています。惑星モデルに基づくこのモデルは、原子の安定性を説明しません。
- (1913) ニールス ボーアの量子モデルも惑星モデルに基づいていましたが、ここでは、電子は軌道と呼ばれる一定のエネルギーを持つ経路を回転します。軌道間のスペースは電子に対して禁止されています。このモデルは、異なるエネルギー レベル間の「禁止された経路」のため、電子の陽子への螺旋化を除外します。
しかし、このモデルでは複数の電子を持つ原子の線スペクトルを説明できませんでした。
- (1926) シュレーディンガーの量子力学モデルでは、電子は円軌道を移動せず、電子雲に存在します。 .電子雲は原子内部の空間領域であり、電子が見つかる確率は 90% です。この空間は軌道と呼ばれます。
シュレーディンガーとハイゼンベルグは、原子の安定性に関する理論と数式を提唱し、量子力学の誕生につながりました。この物理学派によれば、電子の位置と運動量を同時に決定することはできません。
原子の電子雲モデルでは、電子が交差する禁止帯はありません。
原子の電子と陽子の相互作用を止めるものは何ですか?
簡単な実験で、異なる原子の陽子と電子が相互作用することを示すことができますが、同じ原子の陽子と電子は相互作用しません。陽子と電子は反対の電荷を持っているため、従来は互いに引き付けられていました。
これは、小さな気球の実験から非常に明確です。静電気は、荷電粒子がある物体から別の物体に移動する電気現象です。
静電気、過渡電子移動 (写真提供:grayjay/Shutterstock
風船をセーターや人の髪の毛にこすりつけると、風船は負の電荷を帯びます。負に帯電した風船を壁に近づけると、壁の電子が移動し、陽子が露出したままになり、風船の負電荷と相互作用します。
あるタイプの物質からの電子が別のタイプの陽子に引き付けられるとき、同じ原子内の電子と陽子が相互作用しないのはなぜですか?理論的には、電子は原子核にズームインするはずです!
核衝突に対するオッズ
4 つの概念は、同じ原子の陽子と電子の間の相互作用を禁止します。
1.原子安定性における運動エネルギーとポテンシャル エネルギー。
原子核から離れた原子空間にある電子は、位置エネルギーを持ちますが、運動エネルギーは持ちません。電子が陽子に向かって移動すると、その位置エネルギーの一部が運動エネルギーと電磁エネルギーに変換されます。運動エネルギーを持つ電子はホッピングし続けるため、陽子と結合できません。
2.ゲームの最後のデッキ:無限の戦い
電子が原子核に入ったとしても、陽子と結合することはありません。電子のポテンシャル エネルギーは、原子核に近づくにつれて負になり、 マイナス 原子核の中は無限大。対照的に、電子の運動エネルギーは増加し続け、 正の 閉じ込めエネルギーと呼ばれる原子核内の無限大。位置エネルギーの低下は、運動エネルギーの 2 倍です。これにより、電子はボーア半径に等しい距離でホップし、陽子との相互作用が制限されます。
3.電子の二重性
ハイゼンベルグの原理によると、電子の位置と運動量を同時に決定することはできません。これは、電子などのマイクロボディの基本的な特性です。したがって、原子の周囲では、電子は粒子ではなく、波と見なされます。したがって、電子は原子核を通過できますが、落下して原子核にとどまることはできません。
4.まとめましょう
陽子と電子の結合は中性子を形成する必要があります。電荷と質量の両方が一致する必要があります。電荷に関しては、正に帯電した陽子は負に帯電した電子と相互作用して中性子を形成しますが、質量の一致はありそうにありません。陽子の質量は 1.6726 x 10-27 kg、電子の質量は 0.00091 x 10-27 kg ですが、中性子の質量は 1.6749 x 10-27 kg です。電子と陽子の質量の合計は、中性子の質量と等しくありません。
したがって、電子と陽子が結合して中性子を形成するには、エネルギー、質量、またはその両方を追加する必要があります。
結論
電子は時折原子核に入ることがありますが、陽子と相互作用して中性子を形成することはほとんどありません。この致命的な引力が存在しないことは、無限の戦い、電子の波動特性、陽子と電子の質量の合計に対する中性子の質量のギャップなど、いくつかの概念によって説明されます。陽子と電子の禁止された相互作用は、原子と宇宙を無傷に保つ基本的な性質です!
