Начнем издалека. Электрон — это фундаментальная частица. Он обладает некоторыми внешними свойствами и не имеет каких-либо внутренних свойств. Он не сделан не из какого «материала», он такой, какой он есть. Электрон имеет массу, электрический заряд и магнитный дипольный момент. Все это давно измерено и запротоколировано.
Электрон имеет отрицательный заряд и, соответственно, притягивается положительным зарядом. Ядро атома заряжено положительно. Таким образом, его можно рассматривать как колодец, в который может упасть электрон.
Эта система похожа на планетарную систему, в которой гравитационный потенциал заменен электростатической потенциальной ямой. Поэтому можно было бы ожидать, что электроны вращаются вокруг ядра так же, как планеты вращаются вокруг своей звезды. Однако есть одна загвоздка. Орбита — это состояние постоянного ускорения, и ускоряющийся электрон будет излучать энергию в соответствии с теорией электромагнетизма и должен спирально входить в ядро. Но он этого не делает.
Это обстоятельство стало одной из причин появления квантовой механики
Одним из фундаментальных свойств материи, описываемых квантовой механикой, является то, что она описывается волновой функцией. Это означает, что вся материя ведет себя как волна и может интерферировать сама с собой. Эта интерференция исключает многие электронные «орбиты» и характеризуется серией орбит с возрастающей энергией, но только с определенными дискретными значениями энергии.
Таким образом, электрон, связанный с ядром, может существовать только в определенных разрешенных энергетических состояниях. Эти энергетические состояния связаны с другими свойствами, такими как угловой момент.
Электрон может совершать дискретные квантовые переходы между энергетическими уровнями посредством поглощения или испускания энергии в виде фотонов света. Поскольку уровни энергии дискретны, энергия фотонов также будет поглощаться или испускаться.
Почему электроны не излучают всю свою энергию и не коллапсируют на дно ямы?
Это связано с тем, что существует минимальная разрешенная энергия, ниже которой состояний больше нет.
Так уж получилось, что самое низкоэнергетическое состояние сосредоточено в ядре, но распространяется и за его пределы. Это не орбита как таковая, это просто состояние с наименьшей возможной энергией, не имеющее связанного с ним углового момента. Электрон имеет облако вероятности, сосредоточенное в ядре, но распространяющееся за его пределы просто потому, что масса электрона величина очень малая. Это распределенное состояние электрона обусловлено принципом неопределенности Гейзенберга.
Однако дальше все становится еще сложнее. У электрона есть еще одно свойство, связанное с его магнитным моментом, называемое спином.
В квантовой механике существует правило, согласно которому любая частица с нецелым спином не может существовать в одном и том же состоянии. Таким образом, электроны со спином 1/2 не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это называется принципом исключения Паули. Это чрезвычайно важно, поскольку объясняет облачное строение атома. Принцип Паули является причиной того, что атомы стабильны и ведут себя определенным образом. Следовательно, атомную структуру можно рассматривать как своего рода контейнер для электронов.
Свободные электроны захватываются потенциальной ямой ядра. Это означает, что свободные электроны уже имеют избыток энергии. Поскольку они начали с избыточной энергии, им пришлось фактически терять энергию, чтобы сформировать стабильный атом. Как только все нижние атомные состояния заполняются электронами, они больше не могут терять энергию, и тогда атом становится стабильным. Таким образом, они упаковываются вокруг ядра настолько плотно, насколько позволяет физика.
Все это прекрасно работает для объяснения мира, в котором мы живем, но как только мы добавим еще одну силу — гравитацию, все усложняется.
В условиях экстремальной гравитации стабильный атом может сжиматься настолько, что электроны могут взаимодействовать с ядром, в результате чего протоны захватывают электроны и образуют нейтроны.
Такие объекты называются нейтронными звездами и по сути представляют собой одну огромную массу нейтронов. Если добавить еще больше материи, она может превратиться в сплошную массу кварковой материи. Единственное, что удерживает эти объекты вместе, чтобы противостоять силе гравитации, — это принцип Паули. Как только этот принцип перестает действовать, объект коллапсирует в черную дыру, и мы больше ничего не можем сказать.
Атом энергетически стабилен в том смысле, что он может существовать без добавления или потери энергии. Однако нам нужна была квантовая теория, чтобы объяснить все, что мы о ней наблюдаем.
Пытаться понять квантовую механику с точки зрения классической интуиции невозможно. Электрон — это не шар, вращающийся вокруг другого шара, а квантовый объект, минимальная энергия которого достигается за счет того, что он является частью атома.
