อะตอมนั้นมองเห็นได้ดีที่สุดว่าเป็นนิวเคลียสที่แน่นและหนาแน่นล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนที่คึกคัก ภาพนี้นำไปสู่คำถามทันที: อิเล็กตรอนจะวนรอบนิวเคลียสได้อย่างไรโดยไม่ชะลอตัวลง?
นี่เป็นคำถามที่ลุกลามในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 และการค้นหาคำตอบในที่สุดก็นำไปสู่การพัฒนาของกลศาสตร์ควอนตัมตัวเอง
ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 หลังจากการทดลองนับไม่ถ้วนนักฟิสิกส์เพิ่งเริ่มรวบรวมภาพที่สอดคล้องกันของอะตอม- พวกเขาตระหนักว่าแต่ละอะตอมมีนิวเคลียสหนาแน่นหนักและมีประจุบวกที่ล้อมรอบด้วยเมฆอิเล็กตรอนขนาดเล็กที่มีประจุลบ ด้วยภาพทั่วไปในใจขั้นตอนต่อไปของพวกเขาคือการสร้างแบบจำลองที่มีรายละเอียดมากขึ้น
ที่เกี่ยวข้อง:'โมเลกุลแรงโน้มถ่วง' แปลก ๆ อาจโคจรรอบหลุมดำเช่นอิเล็กตรอนหมุนไปรอบ ๆ อะตอม
ในความพยายามครั้งแรกในรูปแบบนี้นักวิทยาศาสตร์ได้รับแรงบันดาลใจจากระบบสุริยจักรวาลซึ่งมี "นิวเคลียส" หนาแน่น (ดวงอาทิตย์) ล้อมรอบด้วย "เมฆ" ของอนุภาคขนาดเล็ก (ดาวเคราะห์) แต่รุ่นนี้แนะนำปัญหาที่สำคัญสองประการ
สำหรับหนึ่งอนุภาคที่มีประจุที่เร่งความเร็วจะปล่อยออกมารังสีแม่เหล็กไฟฟ้า- และเนื่องจากอิเล็กตรอนถูกประจุอนุภาคและเร่งความเร็วในระหว่างวงโคจรพวกเขาควรปล่อยรังสี การปล่อยมลพิษนี้จะทำให้อิเล็กตรอนสูญเสียพลังงานและหมุนวนอย่างรวดเร็วและชนกับนิวเคลียสตามที่มหาวิทยาลัยเทนเนสซีที่นอกซ์วิลล์- ในช่วงต้นปี 1900 นักฟิสิกส์คาดว่าเกลียวภายในดังกล่าวจะใช้เวลาน้อยกว่าหนึ่งล้านล้านวินาทีหรือ picosecond เห็นได้ชัดว่าอะตอมมีชีวิตยืนยาวกว่า picosecond สิ่งนี้จะไม่ทำงาน
ปัญหาที่สองที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับธรรมชาติของรังสี นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าอะตอมปล่อยรังสี แต่พวกเขาทำเช่นนั้นในความถี่ที่ไม่ต่อเนื่องและเฉพาะเจาะจง อิเล็กตรอนที่โคจรรอบถ้ามันติดตามสิ่งนี้ระบบสุริยจักรวาลแบบจำลองจะปล่อยความยาวคลื่นทุกประเภทซึ่งตรงกันข้ามกับการสังเกต
การแก้ไขควอนตัม
นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กที่มีชื่อเสียง Niels Bohr เป็นคนแรกที่เสนอวิธีแก้ปัญหานี้ ในปี 1913 เขาแนะนำว่าอิเล็กตรอนในอะตอมไม่สามารถมีวงโคจรใด ๆ ที่พวกเขาต้องการได้ แต่พวกเขาจะต้องถูกล็อคเข้าไปในวงโคจรในระยะทางที่เฉพาะเจาะจงมากจากนิวเคลียสตามรายการอ้างอิงรางวัลโนเบลสำหรับรางวัลที่ตามมาของเขา- นอกจากนี้เขาเสนอว่ามีระยะทางขั้นต่ำที่อิเล็กตรอนสามารถเข้าถึงได้และมันไม่สามารถเคลื่อนย้ายได้ใกล้กับนิวเคลียสมากขึ้น
เขาไม่เพียงแค่ดึงความคิดเหล่านี้ออกมาจากหมวก น้อยกว่าทศวรรษก่อนหน้านี้นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Max Planck ได้เสนอว่าการปล่อยรังสีอาจเป็น "เชิงปริมาณ" ซึ่งหมายถึงวัตถุสามารถดูดซับหรือปล่อยรังสีในชิ้นส่วนที่ไม่ต่อเนื่องและไม่มีคุณค่าใด ๆ ที่ต้องการตามหน้าอ้างอิง Hyperphysics ที่ Georgia State University- แต่ขนาดที่เล็กที่สุดของชิ้นส่วนที่ไม่ต่อเนื่องเหล่านี้เป็นค่าคงที่ซึ่งเป็นที่รู้จักกันว่าคงที่ของ Planck ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์คิดว่าการปล่อยมลพิษดังกล่าวมีความต่อเนื่องซึ่งหมายความว่าอนุภาคสามารถเปล่งประกายได้ทุกความถี่
ค่าคงที่ของพลังค์มีหน่วยเดียวกับโมเมนตัมเชิงมุมหรือโมเมนตัมของวัตถุที่เคลื่อนที่เป็นวงกลม ดังนั้น Bohr นำเข้าแนวคิดนี้ไปยังอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสโดยบอกว่าวงโคจรที่เล็กที่สุดที่เป็นไปได้ของอิเล็กตรอนจะเท่ากับโมเมนตัมเชิงมุมของค่าคงที่ของพลังค์เดียว วงโคจรที่สูงขึ้นอาจมีค่าสองเท่านั้นหรือสามครั้งหรือค่าคงที่จำนวนเต็มอื่น ๆ ของค่าคงที่ของพลังค์ แต่ไม่เคยมีส่วนใดส่วนหนึ่ง (ไม่ใช่ 1.3 หรือ 2.6 และอื่น ๆ )
มันจะต้องใช้การพัฒนาอย่างเต็มรูปแบบของกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อทำความเข้าใจว่าทำไมอิเล็กตรอนจึงมีวงโคจรขั้นต่ำและกำหนดวงโคจรที่สูงขึ้นอย่างชัดเจน อิเล็กตรอนเช่นอนุภาคสสารทั้งหมดทำตัวเป็นทั้งอนุภาคและคลื่น ในขณะที่เราอาจจินตนาการว่าอิเล็กตรอนเป็นดาวเคราะห์เล็ก ๆ ที่โคจรรอบนิวเคลียสเราสามารถจินตนาการได้อย่างง่ายดายว่ามันเป็นคลื่นรอบนิวเคลียสนั้น
คลื่นในพื้นที่ จำกัด ต้องปฏิบัติตามกฎพิเศษ พวกเขาไม่สามารถมีความยาวคลื่นใด ๆ ได้ พวกเขาจะต้องทำจากคลื่นยืนที่พอดีภายในอวกาศ มันก็เหมือนกับเมื่อมีคนเล่นเครื่องดนตรี: ถ้าคุณปักหมุดปลายสายกีตาร์เช่นความยาวคลื่นบางอย่างเท่านั้นที่จะพอดีทำให้คุณมีโน้ตแยกต่างหาก ในทำนองเดียวกันคลื่นอิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียสจะต้องพอดีและวงโคจรที่ใกล้ที่สุดสำหรับอิเล็กตรอนไปยังนิวเคลียสจะได้รับจากคลื่นลูกแรกของอิเล็กตรอนนั้น
การพัฒนาในอนาคตในกลศาสตร์ควอนตัมจะยังคงปรับแต่งภาพนี้ต่อไป แต่จุดพื้นฐานยังคงอยู่: อิเล็กตรอนไม่สามารถเข้าใกล้นิวเคลียสได้มากขึ้นเนื่องจากธรรมชาติเชิงกลของควอนตัมจะไม่ปล่อยให้พื้นที่น้อยลง
การเพิ่มพลังงาน
แต่มีวิธีที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงในการตรวจสอบสถานการณ์ที่ไม่พึ่งพากลไกควอนตัมเลย: เพียงแค่ดูพลังงานทั้งหมดที่เกี่ยวข้อง อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสถูกดึงดูดด้วยไฟฟ้าไปยังนิวเคลียส มันถูกดึงเข้ามาใกล้เสมอ แต่อิเล็กตรอนก็มีพลังงานจลน์ซึ่งทำงานเพื่อส่งอิเล็กตรอนบินไป
สำหรับอะตอมที่เสถียรทั้งสองอยู่ในสมดุล ในความเป็นจริงพลังงานทั้งหมดของอิเล็กตรอนในวงโคจรซึ่งเป็นการรวมกันของจลน์และพลังงานที่มีศักยภาพเป็นลบ นั่นหมายความว่าคุณต้องเพิ่มพลังงานให้กับอะตอมหากคุณต้องการลบอิเล็กตรอน มันเป็นสถานการณ์เดียวกันกับดาวเคราะห์ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์: เพื่อลบดาวเคราะห์ออกจากระบบสุริยะคุณจะต้องเพิ่มพลังงานให้กับระบบ
วิธีหนึ่งในการดูสถานการณ์นี้คือการจินตนาการว่าอิเล็กตรอน "ล้ม" ไปสู่นิวเคลียสดึงดูดด้วยประจุไฟฟ้าตรงข้าม แต่เนื่องจากกฎของกลศาสตร์ควอนตัมจึงไม่สามารถเข้าถึงนิวเคลียสได้ ดังนั้นมันจึงติดอยู่ตลอดไป แต่สถานการณ์นี้ได้รับอนุญาตจากฟิสิกส์เนื่องจากพลังงานทั้งหมดของระบบเป็นลบซึ่งหมายความว่ามันมีเสถียรภาพและถูกผูกมัดเข้าด้วยกันทำให้เกิดอะตอมที่ยาวนาน
เผยแพร่ครั้งแรกใน Live Science เมื่อวันที่ 21 มกราคม 2011 และเขียนใหม่เมื่อวันที่ 22 มิถุนายน 2565
