อิเล็กตรอนได้รับพลังงานเพื่อหมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมที่ไหน?

ครั้งหนึ่งเคยคิดว่าอิเล็กตรอนจะโคจรรอบนิวเคลียสมากพอๆ กับที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ ภาพนั้นได้ถูกลบล้างโดยกลศาสตร์ควอนตัมสมัยใหม่

อะตอมจะมองเห็นได้ดีที่สุดว่าเป็นนิวเคลียสที่หนาแน่นและหนาแน่นล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนที่โคจรรอบ ภาพนี้นำไปสู่คำถามทันที: อิเล็กตรอนหมุนวนรอบนิวเคลียสโดยไม่ทำให้ช้าลงได้อย่างไร 

นี่เป็นคำถามที่เผาไหม้ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 และการค้นหาคำตอบนำไปสู่การพัฒนากลศาสตร์ควอนตัม ในท้าย ที่สุด

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 หลังจากการทดลองนับครั้งไม่ถ้วน นักฟิสิกส์เพิ่งเริ่มรวบรวมภาพที่เชื่อมโยงกันของอะตอม พวกเขาตระหนักว่าแต่ละอะตอมมีนิวเคลียสที่มีประจุบวกหนาแน่น หนัก ล้อมรอบด้วยเมฆอิเล็กตรอนขนาดเล็กที่มีประจุลบ เมื่อคำนึงถึงภาพรวมแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการสร้างแบบจำลองที่มีรายละเอียดมากขึ้น

ในความพยายามครั้งแรกกับแบบจำลองนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้รับแรงบันดาลใจจากระบบสุริยะซึ่งมี “นิวเคลียส” ( ดวงอาทิตย์ ) หนาแน่นล้อมรอบด้วย “เมฆ” ของอนุภาคขนาดเล็ก (ดาวเคราะห์) แต่โมเดลนี้นำเสนอปัญหาสำคัญสองประการ 

ประการหนึ่ง อนุภาคที่มีประจุซึ่งเร่งการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า และเนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุและพวกมันเร่งความเร็วระหว่างวงโคจร พวกมันจึงควรปล่อยรังสี การปล่อยประจุนี้จะทำให้อิเล็กตรอนสูญเสียพลังงานและหมุนวนและชนกับนิวเคลียสอย่างรวดเร็วตามที่มหาวิทยาลัยเทนเนสซีแห่งนอกซ์วิลล์(เปิดในแท็บใหม่). ในช่วงต้นปี 1900 นักฟิสิกส์ประมาณการว่าเกลียวในดังกล่าวจะใช้เวลาน้อยกว่าหนึ่งในล้านล้านวินาทีหรือหนึ่งพิโควินาที เนื่องจากเห็นได้ชัดว่าอะตอมมีอายุยืนยาวกว่าพิโควินาที จึงใช้ไม่ได้ผล

ประการที่สอง ปัญหาที่ละเอียดอ่อนกว่านั้นเกี่ยวกับธรรมชาติของการแผ่รังสี นักวิทยาศาสตร์ทราบดีว่าอะตอมปล่อยรังสีออกมา แต่พวกมันทำที่ความถี่เฉพาะที่ไม่ต่อเนื่องกัน อิเล็กตรอนที่โคจรอยู่ ถ้ามันเป็นไปตามแบบจำลองระบบสุริยะนี้ จะปล่อยความยาวคลื่นทุกประเภทออกมาแทน ตรงกันข้ามกับการสังเกต

การแก้ไขควอนตัม

นักฟิสิกส์ชื่อดังชาวเดนมาร์ก Niels Bohr เป็นคนแรกที่เสนอวิธีแก้ปัญหานี้ ในปีพ.ศ. 2456 เขาแนะนำว่าอิเล็กตรอนในอะตอมไม่สามารถมีวงโคจรได้ตามต้องการ แต่พวกเขาต้องถูกขังอยู่ในวงโคจรในระยะที่เจาะจงมากจากนิวเคลียสตามรายการอ้างอิงรางวัลโนเบลสำหรับรางวัลที่ตามมาของเขา(เปิดในแท็บใหม่). นอกจากนี้ เขายังเสนอว่ามีระยะห่างขั้นต่ำที่อิเล็กตรอนสามารถเข้าถึงได้และไม่สามารถเคลื่อนที่เข้าใกล้นิวเคลียสได้

เขาไม่เพียงแค่ดึงความคิดเหล่านี้ออกจากหมวก กว่าทศวรรษที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Max Planck ได้เสนอว่าการแผ่รังสีอาจเป็น “ปริมาณ” ซึ่งหมายความว่าวัตถุสามารถดูดซับหรือปล่อยรังสีได้เฉพาะในชิ้นที่ไม่ต่อเนื่องและไม่มีค่าใด ๆ ที่ต้องการตามข้อมูลอ้างอิงของ HyperPhysics หน้ามหาวิทยาลัยแห่งรัฐจอร์เจีย(เปิดในแท็บใหม่). แต่ขนาดที่เล็กที่สุดของชิ้นที่ไม่ต่อเนื่องเหล่านี้เป็นค่าคงที่ ซึ่งเรียกกันว่าค่าคงที่ของพลังค์ ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์คิดว่าการปล่อยมลพิษดังกล่าวเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งหมายความว่าอนุภาคสามารถแผ่รังสีได้ทุกความถี่ 

ค่าคงที่พลังค์มีหน่วยเดียวกับโมเมนตัมเชิงมุม หรือโมเมนตัมของวัตถุที่เคลื่อนที่เป็นวงกลม ดังนั้นบอร์จึงนำเข้าแนวคิดนี้ไปยังอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส โดยบอกว่าวงโคจรที่เล็กที่สุดของอิเล็กตรอนจะเท่ากับโมเมนตัมเชิงมุมของค่าคงที่พลังค์เพียงค่าเดียว วงโคจรที่สูงกว่าอาจมีค่าเป็นสองเท่า หรือสามครั้ง หรือทวีคูณจำนวนเต็มอื่นใดของค่าคงที่พลังค์ แต่จะไม่มีเศษส่วนของค่านั้นเลย (ไม่ใช่ 1.3 หรือ 2.6 เป็นต้น)

ต้องใช้การพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมอย่างเต็มที่เพื่อทำความเข้าใจว่าทำไมอิเล็กตรอนจึงมีวงโคจรขั้นต่ำและกำหนดวงโคจรที่สูงขึ้นอย่างชัดเจน อิเล็กตรอน เช่นเดียวกับอนุภาคสสารทั้งหมด ทำหน้าที่เป็นทั้งอนุภาคและคลื่น ในขณะที่เราอาจจินตนาการว่าอิเล็กตรอนเป็นดาวเคราะห์ขนาดเล็กที่โคจรรอบนิวเคลียส เราสามารถจินตนาการได้ง่ายๆ เท่ากับคลื่นที่ล้อมรอบนิวเคลียสนั้น

คลื่นในพื้นที่จำกัดต้องปฏิบัติตามกฎพิเศษ พวกมันไม่สามารถมีความยาวคลื่นได้ พวกมันจะต้องสร้างจากคลื่นนิ่งที่พอดีกับพื้นที่ มันเหมือนกับเวลาที่มีคนเล่นเครื่องดนตรี เช่น หากคุณตรึงปลายสายกีตาร์ลง ตัวอย่างเช่น เฉพาะความยาวคลื่นบางช่วงเท่านั้นที่จะพอดี ทำให้คุณมีโน้ตแยกต่างหาก ในทำนองเดียวกัน คลื่นอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสจะต้องพอดี และวงโคจรที่ใกล้ที่สุดสำหรับอิเล็กตรอนไปยังนิวเคลียสจะได้รับจากคลื่นนิ่งแรกของอิเล็กตรอนนั้น

การพัฒนาในอนาคตในกลศาสตร์ควอนตัมจะยังคงปรับแต่งภาพนี้ต่อไป แต่จุดพื้นฐานยังคงอยู่: อิเล็กตรอนไม่สามารถเข้าใกล้นิวเคลียสได้มากกว่านี้ เนื่องจากลักษณะทางกลของควอนตัมจะไม่ปล่อยให้มันใช้พื้นที่น้อยลง

เติมพลัง

แต่มีวิธีที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงในการตรวจสอบสถานการณ์ที่ไม่พึ่งพากลศาสตร์ควอนตัมเลย: ดูพลังงานทั้งหมดที่เกี่ยวข้อง อิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสจะถูกดึงดูดด้วยไฟฟ้าไปยังนิวเคลียส มันถูกดึงเข้ามาใกล้เสมอ แต่อิเล็กตรอนยังมีพลังงานจลน์ซึ่งทำงานเพื่อส่งอิเล็กตรอนบินออกไป

สำหรับอะตอมที่เสถียร ทั้งสองอยู่ในสมดุล อันที่จริง พลังงานทั้งหมดของอิเล็กตรอนในวงโคจร ซึ่งเป็นการรวมกันของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์นั้นเป็นลบ นั่นหมายความว่าคุณต้องเพิ่มพลังงานให้กับอะตอมถ้าคุณต้องการเอาอิเล็กตรอนออก มันเป็นสถานการณ์เดียวกันกับดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์: ในการกำจัดดาวเคราะห์ออกจากระบบสุริยะ คุณจะต้องเพิ่มพลังงานให้กับระบบ

วิธีหนึ่งในการดูสถานการณ์นี้คือจินตนาการว่าอิเล็กตรอน “ตกลง” เข้าหานิวเคลียสซึ่งถูกดึงดูดด้วยประจุไฟฟ้าที่อยู่ตรงข้ามกัน แต่เนื่องจากกฎของกลศาสตร์ควอนตัม มันไม่สามารถไปถึงนิวเคลียสได้ มันเลยติดอยู่ โคจรไปตลอดกาล แต่สถานการณ์นี้อนุญาตโดยฟิสิกส์ เพราะพลังงานทั้งหมดของระบบเป็นลบ หมายความว่ามันเสถียรและผูกมัดเข้าด้วยกัน ก่อตัวเป็นอะตอมที่มีอายุยืนยาว 

เผยแพร่ครั้งแรกบน Live Science เมื่อวันที่ 21 มกราคม 2011 และเขียนใหม่เมื่อวันที่ 22 มิถุนายน 2022

หน้าแรก