نوشته بلاگ

الکترون‌ها برای چرخش به دور هستهٔ اتم از کجا انرژی می‌گیرند؟

درک اینکه چرا الکترون‌ها دارای چنین مدار حداقلی هستند، به توسعه کامل مکانیک کوانتومی احتیاج داشت. الکترون‌ها مانند همه ذرات ماده، هم به صورت ذره و هم به صورت موج رفتار می‌کنند.

در بهترین حالت، می‌توان اتم را به‌عنوان یک هسته فشرده و متراکم تصور کرد که توسط الکترون‌های در حال چرخش احاطه شده است. اما این مدل بلافاصله به یک سؤال منتهی می‌شود: چگونه الکترون‌ها بدون کاهش سرعت به دور هسته می‌چرخند؟

در اوایل قرن بیستم و پس از آزمایش‌های بی‌شمار، فیزیکدانان تازه شروع به جمع‌آوری تصویری منسجم از اتم کردند. آنها متوجه شدند که هر اتم دارای یک هسته متراکم، سنگین و با بار مثبت است که توسط ابری از الکترون‌های کوچک و با بار منفی احاطه شده است. با در نظر گرفتن این تصویر کلی، قدم بعدی آنها ایجاد یک مدل دقیق‌تر بود.

دانشمندان در اولین تلاش‌ها برای این مدل، از منظومه شمسی الهام گرفتند که دارای یک «هسته» متراکم (خورشید) است و توسط «ابری» از ذرات کوچکتر (سیارات) احاطه شده است. اما این مدل دو مشکل مهم داشت.

برای مثال، یک ذره باردار که شتاب می‌گیرد، پرتو الکترومغناطیسی ساطع می‌کند و چون الکترون، ذره باردار است و در طول مدارش شتاب می‌گیرد، باید پرتو ساطع کند. به گفته دانشگاه تنسی، این تابش باعث می‌شود که الکترون‌ها انرژی خود را از دست بدهند و به سرعت وارد هسته شوند و با آن برخورد کنند.

در اوایل دهه ۱۹۰۰ میلادی، فیزیکدانان تخمین زدند که چنین مارپیچ درونی کمتر از یک تریلیونم ثانیه یا یک پیکوثانیه طول می‌کشد. از آنجایی که اتم‌ها به وضوح بیشتر از یک پیکو ثانیه عمر می‌کنند، این مدل چندان مفید نبود.

موضوع دوم و دقیق‌تر، مربوط به ماهیت تابش بود. دانشمندان می‌دانند که اتم‌ها تشعشع می‌کنند، اما این کار را در فرکانس‌های بسیار گسسته و خاص انجام می‌دهند. اگر یک الکترون در حال گردش از مدل منظومه شمسی پیروی کند، برخلاف مشاهدات، انواع طول موج‌ها را ساطع می‌کند.


نیلز بور (فیزیکدان مشهور دانمارکی و برنده جایزه نوبل فیزیک) اولین کسی بود که راه حلی برای این موضوع ارائه کرد. او در سال ۱۹۱۳ پیشنهاد کرد که الکترون‌های یک اتم نمی‌توانند هر مداری را که می‌خواهند داشته باشند.

در عوض آنها باید در مدارهایی در فواصل بسیار مشخص از هسته قفل می‌شدند. علاوه بر این، او پیشنهاد کرد که الکترون حداقل فاصله‌ای را با هسته حفظ می‌کند و از آن بیشتر به هسته نزدیک شود.

او با زحمت و تفکر بسیار ایده‌ها را مطرح کرد. کمی بیش از یک دهه قبل از آن، ماکس پلانک (فیزیکدان آلمانی)، پیشنهاد کرده بود که انتشار تشعشع ممکن است «کوانتیزه» باشد؛ به این معنی که یک جسم فقط می‌تواند تابش را در قطعات مجزا جذب یا ساطع کند.

کوچکترین اندازه این تکه‌های گسسته عدد ثابتی بود که به ثابت پلانک معروف شد. قبل از این، دانشمندان فکر می‌کردند که این انتشارات پیوسته هستند، به این معنی که ذرات می‌توانند در هر فرکانسی تابش کنند.

واحد ثابت پلانک، همان واحد تکانه زاویه‌ای یا تکانه جسمی در مسیر دایروی است. بنابراین بور این ایده را به الکترون‌هایی که به دور یک هسته می‌چرخند گسترش داد و گفت که کوچکترین مدار ممکن الکترون، با تکانه زاویه‌ای دقیقاً یک ثابت پلانک برابر است. مدارهای بالاتر می‌توانند دو برابر آن مقدار، یا سه برابر، یا هر مضرب صحیح دیگری از ثابت پلانک داشته باشند، اما هرگز هیچ کسری از آن (مثلاً ۱٫۳ یا ۲٫۶ و غیره) را نخواهند داشت.

درک اینکه چرا الکترون‌ها دارای چنین مدار حداقلی هستند، به توسعه کامل مکانیک کوانتومی احتیاج داشت. الکترون‌ها مانند همه ذرات ماده، هم به صورت ذره و هم به صورت موج رفتار می‌کنند.

با اینکه که ممکن است یک الکترون را به عنوان یک سیاره کوچک که به دور هسته می‌چرخد ​​تصور کنیم، می‌توانیم به راحتی آن را مانند موجی که به دور آن هسته می‌پیچد نیز تجسم نماییم.

در یک فضای محدود، امواج باید قوانین خاصی را رعایت کنند. آنها نمی‌توانند هر طول موجی داشته باشند؛ باید از امواج ایستاده‌ای ساخته شوند که در داخل فضا قرار می‌گیرند؛ درست مانند زمانی است که کسی یک آلت موسیقی را می‌نوازد.

برای مثال، اگر انتهای یک سیم گیتار را ثابت نگه داریم، فقط طول موج‌های خاصی اجرا می‌شوند و نت‌های جداگانه‌‌ای به گوش خواهند رسید. به طور مشابه، موج الکترون در اطراف یک هسته باید متناسب باشد و نزدیکترین مدار یک الکترون به یک هسته توسط اولین موج ایستاده آن الکترون ارائه می‌شود.

پیشرفت‌های آینده در مکانیک کوانتومی به اصلاح این تصویر ادامه خواهند داد، اما نکته اساسی همچنان باقی است: الکترون نمی‌تواند به هسته نزدیک‌تر شود، زیرا ماهیت مکانیکی کوانتومی آن اجازه نمی‌دهد فضای کمتری اشغال کند.

از دیگر سو، روشی کاملاً متفاوت برای بررسی این وضعیت وجود دارد که اصلاً به مکانیک کوانتومی متکی نیست. کافی است به تمام انرژی‌های درگیر نگاه کنید. الکترونی که به دور یک هسته می‌چرخد ​​به طور الکتریکی به هسته جذب می‌شود. همواره نزدیک و نزدیکتر می‌شود اما الکترون دارای انرژی جنبشی نیز هست که باعث می‌شود به پرواز درآید.

برای یک اتم پایدار، این دو پارامتر در تعادل هستند. در واقع انرژی کل یک الکترون در مدار که ترکیبی از انرژی جنبشی و پتانسیل آن است، منفی است. یعنی اگر می‌خواهید الکترون را حذف کنید باید به اتم انرژی اضافه کنید. در مورد سیاراتی که به دور خورشید می‌چرخند نیز وضعیت مشابهی دارد: برای حذف یک سیاره از منظومه شمسی، باید به منظومه انرژی اضافه کنید.

یکی از راه‌های مشاهده این وضعیت این است که تصور کنیم الکترون‌ها به سمت هسته فرو می‌افتد که در واقع توسط بار الکتریکی مخالف خود جذب می‌شود. اما به دلیل قوانین مکانیک کوانتومی، هرگز نمی‌تواند به هسته برسد. بنابراین جایی گیر می‌کند و برای همیشه در مدار باقی می‌ماند.

البته فیزیک این سناریو را مجاز قلمداد می‌کند؛ زیرا انرژی کل سیستم منفی است، به این معنی که پایدار است و به هم متصل است و یک اتم با عمر طولانی تشکیل می‌دهد.