Hvorfor falder elektronen ikke ind på atomkernen? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Hvorfor falder elektro...

29. juli 2012

Hvorfor falder elektronen ikke ind på atomkernen?

Hej Niels Bohr institutet
Jeg har et rent interesse spørgsmål, men som også er ret relevant i forhold til en nærmende prøve.

Hvad er det, som holder elektronerne uden for kernen?

- Altså, hvis elektronen tiltrækkes af protonen, hvordan kan det så være, at den er ude i skallen og ikke "kollapser" ind i kernen?

Med venlig hilsen
T

Ja, de negativt ladede elektronener i et atom er ganske rigtigt tiltrukket af den positivt ladede atomkerne. Situationen minder meget om den, vi finder i solsystemet:

Planeterne er tiltrukket af solen af tyngdekraften. Her bevæger planeterne sig rundt om solen, og har gjort det i snart 5 milliarder år, så det virker umiddelbart meget stabilt - planeterne falder ikke direkte ind i solen. Dette er helt i overensstemmelse med Newtons love. Hvis man lavede den samme analyse i atomet, så vil resultatet være det samme, elektronerne ville ikke umiddelbart falde ind i kernen.

Ernest Rutherford

Da Rutherford (Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson (NZ,  1871 – 1937)) i sin tid - for over 100 år siden - foreslog denne atommodel, gjorde Niels Bohr opmærksom på, at denne analyse er for forenklet. Da elektronen er elektrisk ladet og bevæger sig rundt i ellipsebaner i atomet, så vil den ganske langsomt udsende elektromagnetisk stråling (altså lys) og miste sin energi for til sidst at blive opslugt af kernen. Sammenlignet med, hvor lang tid en elektrons omløb er i atomet, så tager dette kollaps meget lang tid - mange hundrede millioner omløb - men det vil trods alt ske i en meget lille brøkdel af et sekund. Så noget var forkert! 

Newtons love i den atomare verden

Løsningen på problemet er, at Newtons love slet ikke gælder i atomets verden. Her gælder kvanteteorien. Det vil føre for vidt at gå i detaljer, men en vis forklaring kan man få ved at henvise til Heisenbergs ubestemthedsrelation fra 1926 (Werner Karl Heisenberg (D, 1901 – 1976)), som er et af kvanteteoriens grundelementer.

Werner Heisenberg

Ifølge dette princip kan man ikke kende elektronens position og dens hastighed samtidig og med vilkårlig præcision. Det betyder fx, at hvis elektronens position var meget velbestemt, fx at elektronen er faldet ind i den meget lille atomkerne, så vil elektronens hastighed være meget ubestemt. Hastigheden er ubestemt på den måde, at der er stor sandsynlighed for at finde f.eks. meget store hastigheder. Men store hastigheder betyder stor kinetisk energi. Omvendt vil en elektron meget tæt på kernen betyde meget lav potentiel energi. Man kan nu spørge, hvor lav kan den samlede energi være i kvanteteorien, og det viser det sig, at denne energi ikke kan blive lavere end en magisk grænse - den såkaldte grundtilstandsenergi.

Har elektronen en højere energi vil den ganske rigtigt udsende lys, og derved miste energi. Dette stopper dog når energien når ned til grundtilstandsenergien. Herefter stopper faldet ind mod atomkernen, og atomet bliver helt stabilt. 

Med venlig hilsen
Per Hedegård