परमाणु कैसे काम करते हैं

परमाणु नाभिक की कक्षा में एक परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन क्या रखता है?

पहली नज़र में, ख़ासकर अगर आप उस परमाणु के कार्टियोनी संस्करण को देखें जिसे मैंने पहले इसकी सभी कमियों के साथ बताया था , तो नाभिक के चारों ओर एक कक्षा में घूमने वाले इलेक्ट्रॉन सूर्य के चारों ओर एक कक्षा में घूमते हुए ग्रहों की तरह दिखते हैं। और ऐसा लगता है कि इन प्रक्रियाओं का सिद्धांत समान है। लेकिन एक पकड़ है।


तस्वीर 1

क्या ग्रह सूर्य के चारों ओर कक्षा में रहते हैं? न्यूटनियन गुरुत्व (आइंस्टीन के अधिक जटिल, लेकिन हमें इसकी आवश्यकता नहीं है), किसी भी वस्तु की जोड़ी अपने द्रव्यमान के उत्पाद के लिए आनुपातिक संपर्क के माध्यम से एक दूसरे के प्रति आकर्षित होती है। विशेष रूप से, सूर्य का गुरुत्वाकर्षण ग्रहों को अपनी ओर आकर्षित करता है (उन दोनों के बीच की दूरी के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती अनुपात के साथ। अर्थात, यदि दूरी को आधा किया जाता है, तो बल चौगुना हो जाता है)। ग्रह भी सूर्य को आकर्षित करते हैं, लेकिन यह इतना भारी है कि यह लगभग इसके आंदोलन को प्रभावित नहीं करता है।

जड़ता, वस्तुओं की प्रवृत्ति उन पर कार्य करने वाली अन्य शक्तियों की अनुपस्थिति में सीधी रेखाओं के साथ आगे बढ़ने के लिए, गुरुत्वाकर्षण आकर्षण के खिलाफ काम करती है, और परिणामस्वरूप ग्रह सूर्य के चारों ओर घूमते हैं। यह चित्र 1 में देखा जा सकता है, जो एक गोलाकार कक्षा को दर्शाता है। आमतौर पर ये कक्षाएँ अण्डाकार होती हैं - हालाँकि ग्रहों के मामले में वे लगभग गोल होते हैं, क्योंकि सौर मंडल का निर्माण हुआ था। विभिन्न छोटे पत्थरों (क्षुद्रग्रहों) और सूर्य के चारों ओर कक्षाओं में जाने वाली बर्फ (धूमकेतु) के ब्लॉक के लिए, अब ऐसा नहीं है।

इसी प्रकार, विद्युत आवेशित वस्तुओं के सभी जोड़े एक-दूसरे से आकर्षित होते हैं या एक-दूसरे से प्रतिक्षेपित होते हैं, बल के साथ उनके बीच की दूरी के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती भी होते हैं। लेकिन, गुरुत्वाकर्षण के विपरीत, जो हमेशा वस्तुओं को एक साथ आकर्षित करता है, विद्युत बल दोनों को आकर्षित और पीछे हटा सकते हैं। समान, सकारात्मक या नकारात्मक शुल्क वाली वस्तुएं एक दूसरे को दोहराती हैं। एक नकारात्मक चार्ज की गई वस्तु एक सकारात्मक चार्ज की गई वस्तु को आकर्षित करती है, और इसके विपरीत। इसलिए रोमांटिक वाक्यांश "विपरीत आकर्षित करते हैं"।

इसलिए, परमाणु के केंद्र में एक सकारात्मक रूप से आवेशित परमाणु नाभिक, परमाणु के पीछे जाने वाले हल्के इलेक्ट्रॉनों को अपनी ओर आकर्षित करता है, बहुत कुछ जैसे सूर्य ग्रहों को आकर्षित करता है। इलेक्ट्रॉन भी नाभिक को आकर्षित करते हैं, लेकिन नाभिक का द्रव्यमान इतना अधिक होता है कि उनका आकर्षण शायद ही नाभिक को प्रभावित करता है। इलेक्ट्रॉनों को भी एक दूसरे को पीछे हटाना, जो एक कारण है कि वे एक दूसरे के करीब समय बिताना पसंद नहीं करते हैं। हम यह मान सकते हैं कि परमाणु में इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर उसी तरह से कक्षाओं में चलते हैं, जैसे कि ग्रह सूर्य के चारों ओर घूमते हैं। और पहली नज़र में, यह वही है जो वे करते हैं, खासकर कार्टोनी परमाणु में।

लेकिन यहाँ पकड़ है: वास्तव में, यह एक दोहरी पकड़ है, और दो चालों में से प्रत्येक का दूसरे पर विपरीत प्रभाव पड़ता है, जिसके परिणामस्वरूप वे परस्पर नष्ट हो जाते हैं!

दोहरी पकड़: ग्रह प्रणालियों से परमाणु कैसे भिन्न होते हैं


Pic 2

पहला कैच: ग्रहों के विपरीत, नाभिक के चारों ओर कक्षाओं में जाने वाले इलेक्ट्रॉनों को प्रकाश का उत्सर्जन करना चाहिए (अधिक सटीक, विद्युत चुम्बकीय तरंगें, जिनमें से एक प्रकाश है)। और इस विकिरण के कारण इलेक्ट्रॉनों को धीमा और एक सर्पिल में नाभिक तक गिरना चाहिए। सिद्धांत रूप में, आइंस्टीन के सिद्धांत का एक समान प्रभाव है - ग्रह गुरुत्वाकर्षण तरंगों का उत्सर्जन कर सकते हैं। लेकिन वह बेहद छोटा है। इलेक्ट्रॉनों के मामले के विपरीत। यह पता चला है कि परमाणु में इलेक्ट्रॉनों को बहुत जल्दी, एक दूसरे के एक छोटे से अंश में, एक सर्पिल में नाभिक तक गिरना चाहिए!

और उन्होंने ऐसा किया होता अगर क्वांटम यांत्रिकी के लिए नहीं। एक संभावित आपदा अंजीर में दिखाई गई है। 2।

दूसरी पकड़: लेकिन हमारी दुनिया क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों के अनुसार काम करती है! और उसके पास अनिश्चितता का अपना अद्भुत और स्पष्ट सिद्धांत है। यह सिद्धांत, इस तथ्य का वर्णन करता है कि इलेक्ट्रॉन कणों के समान तरंग हैं, अपने स्वयं के लेख के हकदार हैं। लेकिन यहाँ हमें आज के लेख के लिए उसके बारे में जानने की आवश्यकता है। इस सिद्धांत का सामान्य परिणाम यह है कि एक ही समय में किसी वस्तु की सभी विशेषताओं को जानना असंभव है। विशेषताओं के सेट हैं जिनके लिए उनमें से एक का माप दूसरों को अनिश्चित बनाता है। एक मामला इलेक्ट्रॉनों जैसे कणों का स्थान और वेग है। यदि आपको पता है कि इलेक्ट्रॉन कहां है, तो आप नहीं जानते कि यह कहां जाता है, और इसके विपरीत। आप एक समझौता कर सकते हैं और कुछ सटीकता के साथ जान सकते हैं कि वह कहां है, और कुछ सटीकता के साथ जानिए कि वह कहां जा रहा है। परमाणु में, सब कुछ इस तरह से निकलता है।

एक नाभिक पर एक इलेक्ट्रॉन सर्पिल मान लीजिए, जैसे अंजीर में। 2. इसके पतन की प्रक्रिया में, हम अधिक से अधिक सटीक रूप से इसके स्थान को जान पाएंगे। फिर अनिश्चितता सिद्धांत हमें बताता है कि इसकी गति अधिक से अधिक अनिश्चित हो जाएगी। लेकिन अगर इलेक्ट्रॉन नाभिक पर रुक जाए, तो उसकी गति अपरिभाषित नहीं होगी! इसलिए, वह रोक नहीं सकता। यदि वह अचानक एक सर्पिल नीचे गिरने की कोशिश करता है, तो उसे बेतरतीब ढंग से तेजी से आगे बढ़ना होगा। और गति में यह वृद्धि इलेक्ट्रॉन को नाभिक से दूर ले जाएगी!

तो एक सर्पिल में गिरने की प्रवृत्ति अनिश्चितता सिद्धांत के अनुसार तेजी से आगे बढ़ने की प्रवृत्ति से बेअसर हो जाएगी। संतुलन तब होता है जब इलेक्ट्रॉन नाभिक से पसंदीदा दूरी पर स्थित होता है, और यह दूरी परमाणुओं के आकार को निर्धारित करती है!


तस्वीर 3

यदि इलेक्ट्रॉन शुरू में नाभिक से बहुत दूर स्थित है, तो यह एक सर्पिल में उसकी ओर बढ़ेगा, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 2, और विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उत्सर्जन करते हैं। लेकिन परिणामस्वरूप, नाभिक से इसकी दूरी काफी छोटी हो जाएगी, ताकि अनिश्चितता का सिद्धांत आगे के क्षरण को रोक दे। इस स्तर पर, जब विकिरण और अनिश्चितता के बीच एक संतुलन पाया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर एक स्थिर "कक्षा" का आयोजन करता है (अधिक सटीक रूप से, कक्षीय - इस शब्द को जोर देने के लिए चुना जाता है, ग्रहों के विपरीत, क्वांटम यांत्रिकी के कारण, इलेक्ट्रॉन में ऐसी कक्षाएँ नहीं होती हैं जो ग्रह हैं)। कक्षीय की त्रिज्या परमाणु की त्रिज्या (छवि 3) निर्धारित करती है।

एक अन्य विशेषता - तथ्य यह है कि इलेक्ट्रॉनों का संबंध फर्मों से है - इलेक्ट्रॉनों को एक त्रिज्या से नीचे नहीं जाना पड़ता है, और अलग-अलग त्रिज्या की कक्षाओं में लाइन अप होता है।

परमाणु कितने बड़े हैं? अनिश्चितता का अनुमोदन

वास्तव में, हम विद्युत चुम्बकीय अंतःक्रियाओं, इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान और अनिश्चितता सिद्धांत के लिए केवल गणना का उपयोग करके, किसी परमाणु के आकार का अनुमान लगा सकते हैं। सादगी के लिए, हम हाइड्रोजन परमाणु के लिए गणना करते हैं, जहां नाभिक में एक प्रोटॉन होता है, जिसके चारों ओर एक इलेक्ट्रॉन चलता है।

• इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान को निरूपित किया जाता है $$$m_e$
• इलेक्ट्रॉन स्थिति की अनिश्चितता को .x द्वारा निरूपित किया जाता है
• इलेक्ट्रॉन वेग की अनिश्चितता को .v द्वारा दर्शाया गया है

अनिश्चितता सिद्धांत बताता है:

$$$ $ प्रदर्शन $ $ m_e (display v) (≥ x) $ display $$ प्रदर्शन $ $

जहां ℏ प्लैंक स्थिरांक h 2 Plan से विभाजित है। कृपया ध्यान दें कि वह कहता है कि () v) (cannot x) बहुत छोटा नहीं हो सकता है, जिसका अर्थ है कि दोनों निर्धारण बहुत छोटा नहीं हो सकता है, हालांकि उनमें से एक बहुत छोटा हो सकता है यदि दूसरा बहुत बड़ा है।

जब कोई परमाणु अपने पसंदीदा जमीनी अवस्था में सेट होता है, तो हम साइन turn को साइन ~ में बदलने की उम्मीद कर सकते हैं, जहां A ~ B का अर्थ है कि "A और B बिलकुल समान नहीं हैं, लेकिन बहुत अलग नहीं हैं।" यह ग्रेड के लिए एक बहुत ही उपयोगी प्रतीक है!

जमीनी अवस्था में एक हाइड्रोजन परमाणु के लिए, जिसमें स्थिति tyx की अनिश्चितता परमाणु R के त्रिज्या के लगभग बराबर होगी, और वेग willv की अनिश्चितता परमाणु के चारों ओर घूमने वाले इलेक्ट्रॉन के विशिष्ट वेग V के लगभग बराबर होगी, हम प्राप्त करते हैं:

$$

$$m_e V R \ sim।$$

R और V को कैसे जानें? उनके और बल के बीच एक रिश्ता है जो परमाणु को एक साथ रखता है। गैर-क्वांटम भौतिकी में, त्रिज्या r की एक गोलाकार कक्षा में स्थित द्रव्यमान m की एक वस्तु और एक गति v पर एक केंद्रीय वस्तु के चारों ओर गतिमान होकर उसे बल F से आकर्षित करना समीकरण को संतुष्ट करेगा।

$$

$$F = \ frac {mv ^ 2} {r}$$

यह परमाणु में इलेक्ट्रॉन पर सीधे लागू नहीं होता है, लेकिन यह लगभग काम करता है। एक परमाणु में कार्य करने वाला बल वह विद्युत बल है जिसके साथ +1 के आवेश वाला एक प्रोटॉन -1 के आवेश के साथ एक इलेक्ट्रॉन को आकर्षित करता है, और परिणामस्वरूप, समीकरण रूप लेता है

$$

$$F = \ frac {ke ^ 2} {r ^ 2} = \ frac {α} c} {r 2}$$

जहाँ k, Coulomb स्थिर है, e आवेश की इकाई है, c प्रकाश की गति है, Plan प्लैंक स्थिरांक h 2 π से विभाजित है, और α हमारे द्वारा निर्धारित ठीक संरचना स्थिरांक है, बराबर $$$\ frac {के ^ 2} {f c} \ sim 1 / 137.04$ । हम एफ के लिए दो पिछले समीकरणों को जोड़ते हैं, और अनुमानित अनुपात निम्नानुसार प्राप्त किया जाता है:

$$

$$\ frac {α} c} {r ^ 2} \ sim \ frac {mv ^ 2} {r}$$

अब इसे परमाणु पर लागू करें, जहाँ v → V, r → R, और m → m _{e है} । इसके अलावा, ऊपरी समीकरण को गुणा करें $$$m_e R ^ 3$ । यह देता है:

$$

$$α c m_e R \ sim me ^ 2 V ^ 2 R ^ 2 = (m_e V R) ^ 2 \ sim 2 ^ 2$$

अंतिम चरण में, हमने एक परमाणु के लिए अपने अनिश्चितता संबंध का उपयोग किया, $$$m_e V R \ sim।$ । अब आप परमाणु R की त्रिज्या की गणना कर सकते हैं:

$$

$$R \ sim \ frac {ℏ} {α c m_e} \ sim \ frac {137 (10 ^ {- 34} kg m ^ 2 / s)} {(3 • 10 ^ 8 m / s • 9 • 10 ^ {-31} किलो)} \ sim 0.5 • 10 ^ {- 10} m$$

और यह बहुत सटीक निकला! इस तरह के सरल अनुमान आपको सटीक उत्तर नहीं देंगे, लेकिन वे एक बहुत अच्छा अनुमान प्रदान करेंगे!