Урок 1. Электричество: куда бегут электроны
– В Европе теперь никто на пианино не играет,
играют на электричестве.
–На электричестве играть нельзя – током убьет.
–А они в резиновых перчатках играют…
–Э! В резиновых перчатках можно!
«Мимино»
Странно… Играют на электричестве, а убивает почему-то каким-то там током… Откуда в электричестве ток? И что это за ток? Здравствуйте, уважаемые! Давайте разбираться.
Ну, во-первых, начнём с того, почему это играть на электричестве в резиновых перчатках всё-таки можно, а, например, в железных или свинцовых – нельзя, хотя металлические прочнее? Дело все в том, что резина не проводит электричество, а железо и свинец – проводят, поэтому и током ударит. Стоп-стоп… Мы идем не в ту сторону, давайте, разворачиваемся… Ага… Начинать нужно с того, что все в нашей Вселенной состоит из мельчайших частичек – атомов. Эти частички настолько малы, что, например, человеческий волос по толщине в несколько миллионов раз превосходит размер самого маленького атома водорода.
Рисунок 1.1 – Строение электрона
Суммарный электрический заряд атома всегда (!) равен нулю, то есть атом электрически нейтрален. Электроны имеют довольно сильную связь с атомным ядром, однако, если приложить некоторую силу и «вырвать» один или несколько электронов из атома (посредством нагревания или трения, например), то атом превратиться в положительно заряженный ион, поскольку величина положительного заряда его ядра будет больше величины отрицательного суммарного заряда оставшихся электронов. И наоборот, – если каким-либо образом добавить к атому один или несколько электронов (но не посредством охлаждения…), то атом превратится в отрицательно заряженный ион.
Электроны, входящие в состав атомов любого элемента,абсолютно идентичны по своим характеристикам: заряду, размеру, массе.
Теперь, если посмотреть на внутренний состав любого элемента можно увидеть, что не весь объем элемента занимают атомы. Всегда, в любом материале так же присутствуют как отрицательно заряженные, так и положительно заряженные ионы, причем процесс преобразования «отрицательно заряженный ион–атом–положительно заряженный ион» происходит постоянно. В процессе этого преобразования образуются так называемые свободные электроны – электроны, не связанные ни с одним из атомов или ионом. Оказывается, что различных веществ количество этих свободных электронов разное.
Так же из курса физики известно, что вокруг любого заряженного тела (даже такого ничтожно малого, как электрон) существует так называемое невидимое электрическое поле, основными характеристиками которого являются напряженность и направление. Условно принято, что поле всегда направлено из точки положительного заряда к точке отрицательного заряда. Такое поле возникает, например, при натирании эбонитовой или стеклянной палочки о шерсть, при этом в процессе можно услышать характерный треск, явление которого мы рассмотрим позже.
Так при чем же здесь все эти электроны и атомы… А вот при чём. Если взять материал с большим содержанием свободных электронов и поместить его в электрическое поле, то все свободные электроны будут двигаться в направлении положительной точки поля, а ионы – поскольку они имеют сильные межатомные (межионные) связи –оставаться внутри материала, хотя по идее они должны двигаться к той точке поля, заряд которой противоположен заряду иона.
Это было доказано с помощью простого эксперимента.Два различных материала (серебро и золото) соединили друг с другом и поместили в электрическое поле на несколько месяцев. Если бы наблюдалось движение ионов между материалами, то в месте контакта должен был бы произойти процесс диффузии и в узкой зоне серебра образоваться золото, а в узкой зоне золота – серебро, но такого не произошло, что и доказало неподвижность «тяжелых» ионов. На рисунке 2.1 показано движение положительной и отрицательной частиц в электрическом поле: отрицательно заряженные электроны движутся против направления поля, а положительно заряженные частицы – по направлению поля. Однако это справедливо только для частиц, не входящих в кристаллическую решетку какого-либо материала и не связанных между собой межатомными связями.
Рисунок 1.2 – Движение точечного заряда в электрическом поле
Движение происходит именно таким образом, потому как одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые – притягиваются: на частицу всегда действуют две силы: сила притяжения и сила отталкивания.
Так вот, именно упорядоченное движение заряженных частиц и называют электрическим током. Существует забавный факт: изначально считалось (до открытия электрона), что электрический ток порождён именно положительными частицами, поэтому направление тока соответствовало движению положительных частиц от «плюса» к «минусу», однако впоследствии обнаружилось обратное, но направление тока решено было оставить прежним, и в современной электротехнике осталась эта традиция. Так что всё на самом деле наоборот!
Рисунок 1.3 – Строение атома
Электрическое поле можно, хоть и характеризуется величиной напряженности, но создается вокруг любого заряженного тела. Например, если всё ту же стеклянную и эбонитовую палочки натереть о шерсть, то вокруг них возникнет электрическое поле. Электрическое поле существует около любого объекта и воздействует на другие объекты, сколь угодно далеко они бы ни располагались.Однако с ростом расстояния между ними напряженность поля уменьшается и её величиной можно пренебречь, так что два человека, стоящие рядом и имеющие некоторый заряд, хоть и создают электрическое поле, и между ними протекает электрический ток, но он настолько мал, что его величину трудно зафиксировать даже специальными приборами.
Так вот, пора бы уже побольше рассказать о том, что это за характеристика – напряженность электрического поля. Начинается всё с того, что в 1785 году французский военный инженер Шарль Огюстен де Кулон, отвлекшись от рисования военных карт, вывел закон, описывающий взаимодействие двух точечных зарядов:
Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.
Мы не будем углубляться в то, почему это именно так, просто поверим на слово господину Кулону и введём некоторые условия для соблюдения этого закона:
- точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров — впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными не пересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;
- их неподвижность.
Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд; - взаимодействие в вакууме.
Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;Математически закон записывается следующим образом:
где q1,q2 – величины взаимодействующих точечных зарядов,
r – расстояние между этими зарядами,
k – некоторый коэффициент, описывающий влияние среды.
На рисунке ниже приведено графическое пояснение закона Кулона.
Рисунок 1.4 – Взаимодействие точечных зарядов. Закон Кулона
Таким образом, сила взаимодействия между двумя точечными зарядами возрастает при увеличении этих зарядов и уменьшается при увеличении расстояния между зарядами, причём увеличение расстояния в два раза приводит к уменьшению силы в четыре раза. Однако подобная сила возникает не только между двумя зарядами, но и между зарядом и полем (и опять электрический ток!). Логично было бы предположить, что на различные заряды одно и то же поле оказывает различное влияние.
где F – сила взаимодействия,
q – заряд.
Причём, как говорилось ранее, поле имеет направление, и это возникает именно исходя из того, что сила взаимодействия имеет направление (является векторной величиной: одноимённые заряды притягиваются, разноимённые – отталкиваются).
После того, как я написал этот урок, я попросил моего друга прочитать его, оценить, так скажем. Кроме того, я задал ему один интересный на мой взгляд вопрос как раз по теме этого материала. Каково же было моё удивление, когда он ответил неверно. Попробуйте и Вы ответить на этот вопрос (он помещен в раздел задач в конце урока) и аргументировать свою точку зрения в комментариях.
И последнее: поскольку поле может переместить заряд из одной точки пространства в другую, оно обладает энергией, а, следовательно, может совершать работу.
Этот факт пригодится нам в дальнейшем при рассмотрении вопросов работы электрического тока.На этом первый урок окончен, но у нас так и остался без ответа вопрос, почему же, в резиновых перчатках током не убьет. Оставим его как интригу на следующий урок. Спасибо за внимание, до новых встреч!
Задачка:
- Предположим, что в городе-герое Москве имеется некая розетка, самая такая обычная розетка, которые есть и у Вас дома. Так же предположим, что мы протянули провода из Москвы во Владивосток и подключили во Владивостоке лампочку (опять же, лампа совершенно обычная, такая же освещает сейчас комнату и мне, и Вам). Итого, что мы имеем: лампочка, присоединенная к концам двух проводов во Владивостоке и розетку в Москве. Теперь вставим «московские» провода в розетку. Если мы не будем учитывать массу всяких условий и просто предположим, что лампочка во Владивостоке загорелась, то попробуйте предположить, доберутся ли электроны, которые в данный момент находятся в розетке в Москве в нить накала лампочки во Владивостоке? Что случится, если мы подключим лампочку не к розетке, а к аккумулятору?
← Введение | Содержание | Урок 2: Как пересчитать электроны →
Электрический ток в металлах: подробное объяснение (формулы)
Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.
Более подробно об этом читайте далее в нашей статье.
Важно знать
Как известно, электрический ток — это упорядоченный поток носителей электрического заряда. Носители — это заряженные частицы, способные свободно перемещаться во всем объеме тела.
В случае металлов этими частицами являются электроны, которые высвобождаются при образовании связи между атомами металла.
Известно, что металлы в твердом состоянии имеют кристаллическую структуру. Частицы в кристаллах расположены в определенном порядке, образуя пространственную решетку (кристалл).
Наконец, кристаллическая решетка металла образована положительными ионами, погруженными в «облако» хаотически движущихся так называемых свободных электронов, также называемых электронами проводимости. В зависимости от валентности атомов металла, один атом может освободить от одного до трех электронов при образовании металлических связей. Число таких высвобожденных электронов непосредственно переводится в число носителей заряда.
Это является одним из факторов, влияющих на способность металла проводить электрический ток.
Доказательством того, что ток в металлах вызывается электронами, послужили эксперименты наших отечественных физиков Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмана.
Способность металла проводить электрический ток может быть описана физической величиной, называемой удельным электрическим сопротивлением. Эта физическая величина обозначается греческой буквой ρ (читается как «ро»). Единицей измерения удельного сопротивления является Ом · м, т.е. произведение Ом на метр. Удельное сопротивление — это константа, которая характеризует материал и имеет различные значения для разных материалов. Например, удельное сопротивление меди составляет 1.72*10-8 Ом · м. Это означает, что электрическое сопротивление медного проводника длиной 1 метр и площадью поперечного сечения 1 м равно 1.72*10-8 Ом .
В целом, чем ниже удельное сопротивление материала, тем лучше он проводит электрический ток.
В таблице ниже приведены некоторые примеры удельного сопротивления часто используемых металлов.
| Металл | Удельное сопротивление (Ом · м) |
| Серебро | 1.59*10-8 |
| Медь | 1.72*10-8 |
| Алюминий | 2.82*10-8 |
| Вольфрам | 5.6*10-8 |
| Железо | 10*10-8 |
Удельное электрическое сопротивление может быть связано с микроскопическими свойствами материала. В частности, он зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности.
Движение свободных электронов в металлах не является полностью «свободным», поскольку во время их движении они взаимодействуют с другими электронами, и прежде всего с ионами кристаллической решетки. Специфика этого движения описывается так называемой классической моделью проводимости.
Основные предположения и выводы этой модели представлены в большом упрощении ниже.
Классическая модель проводимости
Без внешнего электрического поля электроны совершают тепловые хаотические движения, сталкиваясь друг с другом, а также сталкиваясь с ионами кристаллической решетки. В результате такого движения среднее положение электронов практически не меняется (см. рис. 1.).
Рис. 1. Пример траектории электрона во время его хаотического теплового движения в металлеИз-за квантовых эффектов, и в частности из-за принципа запрета Паули, который не позволяет всем электронам занимать самое низкое энергетическое состояние, средняя скорость электронов в металлах, связанная с их хаотическим тепловым движением, больше, чем скорость частиц в классическом идеальном газе той же температуры. Она составляет порядка 10 м/с.
Если электрическое напряжение U приложено к концам проводника длиной L в нем появится электрическое поле с напряженностью E = U / L
Под действием этого внешнего поля, согласно второму закону динамики, электроны ускоряются: a = F / m,
где F = e*E — сила, с которой электрическое поле действует на электрон с зарядом e.
Таким образом, ускорение электрона составляет: a = e*E / m .
Ускоренное движение электрона длится лишь довольно короткое время, пока он не столкнется с ионом
кристаллической решетки. В результате такого столкновения электрон теряет практически всю свою кинетическую энергию. Однако замедленный электрон не остается в состоянии покоя — он снова ускоряется под действием электрического поля, снова сталкивается с одним из ионов из ионы кристаллической решетки и т.д. Этот эффект добавляет к скорости тепловых движений дополнительную направленную среднюю скорость u, которая из-за отрицательного заряда электрона имеет направление, противоположное напряженности внешнего электрического поля. Эта скорость называется средней скоростью дрейфа (рис. 2).
В проводнике начинает течь электрический ток с силой тока I (см. рисунок 3).
Рис. 3. Дрейфующие электроны сталкиваются с ионами кристаллической решеткиПредполагая, что движение электрона равномерно ускоряется между столкновениями с ионами решетки, с ускорением a = e*E / m , и предполагая, что в результате столкновения электрон передает всю свою кинетическую энергию кристаллической решетке, мы можем вычислить скорость, которую развивает электрон в своем свободном движении: v = a*τ .
В этой формуле τ — средний интервал времени между последующими столкновениями дрейфующего электрона с ионами кристаллической решетки.
Поскольку при равномерно ускоренном движении без начальной скорости средняя скорость является средним арифметическим начальной (равной нулю) и конечной скоростью, то получаем: u = v / 2 = e*E*τ / 2*m .
Из полученной формулы следует, что скорость дрейфа, помимо внешнего электрического поля, определяется средним интервалом времени между столкновениями электронов с ионами решетки. Этот параметр зависит от многих факторов (включая температуру, кристаллическую структуру металла, дефекты кристаллической структуры, примеси) и, как выясняется, существенно влияет на электрическое сопротивление материала.
Средняя дрейфовая скорость электронов составляет порядка 10-4 м/с. Она очень мала по сравнению со скоростью теплового движения, которая составляет порядка 106 м/с.
Классическая теория проводимости достаточно хорошо описывает явление электропроводности в металлах.
Однако эта теория не может объяснить экспериментально наблюдаемую зависимость электрического сопротивления от температуры.
Причина упомянутой неудачи классической теории проводимости заключается в том, что она не учитывает влияние ионов решетки на движение электронов между столкновениями. Более близкие к реальности результаты дает квантовая теория проводимости, которая описывает электроны как частицы, подверженные квантовой статистике, движущиеся в периодическом электрическом поле, создаваемом положительными ионами решетки.
Выводы простым языком
Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нём движутся беспорядочно. Но если в металле создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Возникнет электрический ток. Беспорядочное движение электронов при этом сохраняется, подобно тому как сохраняется беспорядочное движение в стайке мошкары, когда под действием ветра она перемещается в одном направлении.
« Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика — несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/c), распространяетcя по всей длине проводника. »
Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010
Как пример, электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.
Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, когда цепь электрической лампы замкнута, электроны в спирали лампы также движутся упорядоченно.
Сравнение электрического тока с потоком воды в водопроводной системе и распространения электрического поля с распространением давления воды поможет нам понять это.
Когда вода поднимается в резервуар для воды, давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей системе водоснабжения. Когда мы включаем кран, вода уже находится под давлением и сразу же начинает течь. Но вода, которая была в кране, течет, а вода из башни достигает крана гораздо позже, потому что вода движется с меньшей скоростью, чем распространяется давление.
Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.
Почему движутся электроны?
Что заставляет электрический заряд двигаться?
Вы знаете, что для подъема объекта необходимо совершить работу, потому что гравитационное поле Земли тянет объект вниз. Аналогичным образом необходимо совершить работу, чтобы переместить заряженную частицу в электрическом поле. Количество работы, необходимой для перемещения заряда между точками, или работа на единицу заряда, называется «разностью электрических потенциалов » между двумя точками.
Единица разности потенциалов называется вольт. Разность потенциалов может быть как положительной, так и отрицательной в зависимости от движения заряда.
Чтобы перемещать заряды, нам нужно устройство, которое может работать. К таким устройствам относятся: аккумуляторы, генераторы, термопары и аккумуляторы.
Как электроны движутся по проводу?
Электроны не движутся по проводу, как автомобили по шоссе. На самом деле любой проводник (вещь, по которой может проходить электричество) состоит из атомов. В каждом атоме есть электроны. Если вы поместите новые электроны в проводник, они присоединятся к атомам, и каждый атом передаст электрон следующему атому. Этот следующий атом принимает электрон и отправляет еще один с другой стороны.
Что такое электродвижущая сила (ЭДС)?
Электродвижущая сила, также называемая ЭДС (измеряемая в вольтах), представляет собой напряжение, развиваемое любым источником электроэнергии, таким как батарея или генератор.
Обычно он определяется как электрический потенциал источника в цепи. Устройство, которое подает электрическую энергию, называется электродвижущей силой или ЭДС. ЭДС преобразуют химическую, механическую и другие формы энергии в электрическую. Слово «сила» в данном случае употребляется для обозначения не механической силы, измеряемой в ньютонах, а потенциал, или энергия на единицу заряда, измеряемая в вольтах.
Что такое проводники?
В таких металлах, как медь, серебро и алюминий, электроны не связаны прочно с атомами. Их называют «свободными электронами». Это делает их хорошими проводниками. Проводники — это материалы, которые позволяют электричеству легко течь. Когда к одному концу проводника подносится отрицательный заряд, электроны отталкиваются. Когда положительно заряженный объект находится рядом с проводником, электроны притягиваются к объекту.
ВЫШЕ — АТОМ МЕДИ — ОДНОВАЛЕНТНЫЙ ЭЛЕКТРОН СЛАБОСВЯЗАН
Металлы содержат свободно движущиеся делокализованные электроны.
Когда прикладывается электрическое напряжение, электрическое поле внутри металла вызывает движение электронов, заставляя их перемещаться от одного конца к другому концу проводника. Электроны будут двигаться в положительную сторону.
—
Медь является хорошим проводником, потому что большинство электронов, удаленных от ядра, слабо связаны и отталкиваются, так что небольшое возмущение, например разность потенциалов между двумя концами провода, может выбить валентные электроны из свободный атом, который затем возмущает соседние валентные электроны и т. д., что приводит к каскадному возмущению движущихся зарядов или тока по всему материалу. Энергия, необходимая для освобождения валентных электронов, называется энергией запрещенной зоны, потому что ее достаточно, чтобы переместить электрон из валентной зоны или внешней электронной оболочки в зону проводимости, где электрон может двигаться через материал и влиять на соседние атомы. Приведенная выше диаграмма иллюстрирует эту концепцию.
Что такое изоляторы?
Изоляторы — это материалы, в которых электроны не могут свободно двигаться. Примеры хороших изоляторов: резина, стекло, дерево,
Что такое батарея и как она работает?
Батарея преобразует химическую энергию в электрическую посредством химической реакции. Обычно химические вещества хранятся внутри батареи. Он используется в цепи для питания других компонентов. Батарея производит электричество постоянного тока (постоянного тока) (электричество, которое течет в одном направлении, а не переключается туда и обратно, как с (переменным) переменным током). Для получения дополнительной информации о батареях см.: Как работает батарея?
Генераторы
Под генератором обычно понимается машина, вырабатывающая электрическую энергию. У него есть генераторная головка с проводами, вращающимися внутри магнитного поля. Возникающая в результате электромагнитная индукция заставляет электричество течь по проводам.
Гибридные электромобили оснащены генератором, достаточно мощным, чтобы заставить их двигаться. Самые большие генераторы никуда не денутся; они остаются на своей электростанции.
Термопары
Термопара, сокращенно ТС, представляет собой устройство, непосредственно преобразующее тепло в электричество. Термопара также может работать в обратном направлении — используя электрический ток для преобразования тепла или холода.
Проверьте свой Понимание:
1.
Что заставляет электрический заряд двигаться?
а) Работа
б) Разность электрических потенциалов
в) Устройство, которое работает
г) все вышеперечисленное
2.
Напряжение, развиваемое любым источником электрической энергии, например аккумулятором или генератором —
а) работает только в одном направлении
б) ) называется Электродвижущая сила
в) механическая сила, измеряемая в ньютонах
г) является другой формой статического электричества
3.
Что делает что-то хорошим проводником?
а) при наличии высокой электродвижущей силы между материалом
б) материал, в котором электроны не связаны прочно
в) материалы, не содержащие валентных электронов
г) прочно связанные материалы
4. Что в основном делает аккумулятор?
а) Преобразовать химическую энергию в тепловую энергию
б) Преобразование электрической энергии в тепловую энергию
в) Преобразование химической энергии в электрическую энергию
г) Преобразование электрической энергии в механическую энергию
5. Термопара преобразует
а) тепловой энергии в электрическую энергию
б) преобразовывать тепловую энергию в химическую энергию
в)
преобразовать химическую энергию в электрическую
Двигается ли вообще электрон в атоме?
Категория: Физика Опубликовано: 1 декабря 2014 г.
На этом изображении показан математический график одного электрона в определенном состоянии в атоме водорода. Изображение общественного достояния, источник: Кристофер С. Бэрд.
Во-первых, я полагаю, вы хотели задать вопрос: «Испытывает ли электрон в стабильном (непереходном) атомном состоянии какое-либо движение?» Очевидно, что электрон, переходя между состояниями, переходит из одного состояния в другое. Но для электрона, который просто пребывает в одном стабильном состоянии в атоме, вопрос более интересен. Это движется? Ответ может быть да или нет в зависимости от того, как мы определяем движение и какую форму электрона мы считаем действительно реальной.
Проблема в том, что электрон — это не сплошной шарик, вокруг которого мы можем наблюдать. Электрон — это квантовый объект. Таким образом, электрон частично похож на частицу, а частично на волну, но на самом деле представляет собой нечто более сложное, не являющееся ни простой волной, ни простой частицей.
Электрон описывается вероятностной квантовой волновой функцией, которая распространяется в пространстве и вибрирует, но при этом сохраняет определенные дискретные свойства, такие как масса. Будучи связанным в стабильном состоянии в атоме, волновая функция электрона распространяется в определенную форму, называемую «орбиталью». Орбиталь не содержит электрона и не описывает среднее положение маленького жесткого электрона, вращающегося вокруг. Скорее орбитальная это электрон.
Будучи связанным в стабильном состоянии в атоме, электрон ведет себя в основном как колеблющаяся трехмерная волна, т.е. орбитальные колебания. Это немного похоже на вибрирующую гитарную струну. Когда вы дергаете гитарную струну, она трясется, что и создает звук. С научной точки зрения мы бы сказали, что вы возбудили в струне стоячую волну. Гитарная струна не двигается в смысле выстреливания в другой конец комнаты. В этом смысле гитарная струна вообще не движется, а остается прижатой к гитаре. Но гитарная струна — это , движущееся в том смысле, что оно вибрирует, когда вы его щипаете.
Если вы выберете одно место на натянутой струне и внимательно посмотрите на него, оно определенно перемещается из одного места в пространстве в другое, снова и снова. Потянув за нить, вы преобразовали химическую энергию руки в упругую энергию натянутой нити. Когда вы отпускаете, энергия упругости преобразуется в энергию движения (кинетическую энергию), когда струна отскакивает и начинает вибрировать. Суммарная кинетическая энергия всей струны, усредненная по времени, равна нулю, так как общая струна никуда не денется относительно гитары. Но кинетическая энергия любой малой части струны в данный момент не равна нулю. Таким образом, щипковая гитарная струна испытывает локальное, но не общее движение.
Математические графики волновой функции электрона в водороде, ясно показывающие его колебательное движение. Графики слева и справа показывают один электрон в основном состоянии одного атома водорода. Два графика в середине показывают два возможных основных состояния, которые может принять волновая функция электрона, когда два атома водорода связаны в молекулу водорода.
Каждая красная точка показывает расположение ядра. На каждом графике пара синяя кривая/розовая кривая показывает две разные компоненты волновой функции одного электрона. Обратите внимание, что эти графики показывают одномерный срез трехмерной орбитали. Изображение общественного достояния, источник: Википедия.
Электрон в атомно-орбитальном состоянии действует как струна гитары. Он распространяется в виде трехмерной волновой функции, подобной облаку, которая вибрирует. В то время как гитарная струна колеблется вверх и вниз, волновая функция атомного электрона просто колеблется сильно и слабо. Частота, с которой колеблется волновая функция электрона, прямо пропорциональна полной энергии электрона. Электроны в атомных состояниях с более высокой энергией колеблются быстрее. Поскольку электрон — это квантовый объект с волновыми свойствами, он всегда должен колебаться с некоторой частотой. Чтобы электрон перестал вибрировать и, следовательно, имел нулевую частоту, он должен быть уничтожен.
В атоме это происходит, когда электрон всасывается в ядро и принимает участие в ядерной реакции, известной как захват электрона.
Имея все это в виду, электрон в стабильном атомном состоянии движется , а не в смысле твердого маленького шарика, двигающегося по кругу подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца, поскольку электрон распространяется волной. Кроме того, электрон в стабильном атомном состоянии , а не движется в смысле волнения в пространстве. Орбитальный электрон совершает движение в смысле вибрации во времени.
Но правда сложнее, чем это изображено на этой простой картинке. Есть две вещи, которые описывают электрон в квантовой теории: квантовая волновая функция электрона и квадрат величины квантовой волновой функции электрона. (Операция «квадрат величины» просто означает, что вы отбрасываете фазовые множители, такие как отрицательные знаки, и затем берете квадрат. Например, квадрат величины минус три равен девяти.) Интересно, что эксперименты могут непосредственно измерять только квадрат величины электрона.
волновая функция, и все же нам нужна исходная волновая функция, чтобы предсказать результат многих экспериментов. По этой причине некоторые люди говорят, что квадрат величины волновой функции — единственная реальная величина, тогда как сама исходная волновая функция — просто математический костыль, который необходим, потому что наша теория неэлегантна.
Является ли квадрат величины волновой функции электрона реальной физической сущностью или исходная волновая функция является реальной физической сущностью? Этот вопрос действительно философский, а не физический, поэтому я не буду здесь его развивать. Для ученых вопрос: «Что на самом деле реально?» неважно. Мы больше озабочены тем, чтобы уравнения соответствовали экспериментам. Какое отношение все это имеет к электрону в атоме? Дело в том, что необработанная волновая функция атомного электрона вибрирует , но квадрат амплитуды волновой функции не вибрирует . На самом деле физики называют устойчивые состояния атомных электронов «стационарными состояниями», потому что квадрат величины волновой функции постоянен во времени.
Если вы считаете необработанную волновую функцию истинно физической сущностью, то вы должны сказать, что электрон в атоме испытывает движение в форме вибрации. Если вы считаете квадрат величины волновой функции действительно физической сущностью, то вы должны сказать, что электрон в атоме не испытывает вибрации и, следовательно, не испытывает никакого движения. Я считаю, что первый выбор имеет больше смысла. Вы можете математически показать, что определенные состояния атомных электронов содержат угловой момент (то есть вращательный момент). Трудно понять утверждение, что атомный электрон обладает угловым моментом, и в то же время утверждение, что электрон полностью неподвижен во всех смыслах этого слова. По этой причине я предпочитаю рассматривать необработанную волновую функцию как истинно физическую сущность, и, следовательно, электрон в атоме испытывает движение в форме колебаний. Но, опять же, вопрос: «Что на самом деле реально?» является философским и не имеет значения в науке. Суть в том, что необработанная волновая функция электрона в стабильном атомном состоянии испытывает колебательное движение.