Електронът в атома движи ли се изобщо?Автор: д-р Кристофър С. Бейрд
http://wtamu.edu/~cbaird/sq/2014/12/01/does-an-electron-in-an-atom-move-at-all/Преди всичко, предполагам, че си задавате въпроса: "Дали електронът, който се намира в стабилно атомно състояние, извършва някакво движение?". Очевидно е, че електрон, който преминава от едно състояние в друго, извършва преход /движение/ от едното в другото състояние. Но за електрон, който стои в едно стабилно състояние в атома, така поставеният въпрос е по-интересен. Дали електронът се движи? Отговорът може да бъде "да" или "не" в зависимост от това как дефинираме понятието "движение", и коя от формите на електрона приемаме за "истинска"...
Проблемът е, че електронът не е малко твърдо топче, което ние можем да наблюдаваме да се стрелка насам-натам. Електронът е КВАНТОВ ОБЕКТ. Като такъв, той е в някаква степен частица и едновременно с това в някаква степен вълна, но със сигурност е нещо много по-сложно от просто вълна или просто частица... Електронът се описва от вероятностна квантова вълнова функция (пси-функция), която се разпростира в пространството и същевременно вибрира, но по такъв начин, че все още притежава някакви дискретни характеристики като маса, например. Когато е фиксиран в устойчиво състояние вътре в атома, вълновата функция на електрона се разпростира в някаква област от пространството с определена форма, наречена "орбитала". Орбиталата НЕ съдържа електрона, нито представлява някаква усреднена траектория, по която малко твърдо топче (електрон) обикаля около атома. Орбиталата Е самият електрон!
Когато е свързан в стабилно състояние в атома, електронът в най-голяма степен се държи като осцилираща триизмерна вълна, т.е. орбиталите вибрират. В някакво отношение това е подобно на трептяща струна от китара. Когато дръпнете с пръст струна на китарата, тя започва да вибрира, а тази вибрация от своя страна създава звука, разтрептявайки околния въздух. Казано с по-научни термини - вие възбуждате стояща вълна в струната. Струната не се движи в смисъла да отхвърчи в другия край на стаята. В този смисъл струната не се движи въобще, а си остава свързана за китарата. Но все пак, струната се движи в смисъл че започва да трепти, когато я дръпнеш. Ако вземете един малък участък от нея и го наблюдавате отблизо, той определено се движи от една точка на пространството до друга и обратно, при това многократно. Но при дърпането на струната, вие превръщате химическата енергия от мускулите на вашата ръка в еластична енергия на опъната струна. Когато пуснете опънатата струна, еластичната енергия се превръща в енергия на движението (кинетична енергия), като струната се връща назад и започва да вибрира. Общата кинетична енергия на цялата струна, усреднена по времето, е нула, тъй като самата струна не отлита на никъде по отношение на китарата. Но кинетичната енергия на всеки малък участък от струната в даден определен момент от време е различна от нула. В този смисъл струната извършва локално движение, но не и глобално такова.
Електронът, който е във вид на атомна орбитала, се държи в определен смисъл като струната от китара. Той е разпрострян в пространството под формата на триизмерна, подобна на облак вълнова функция, която вибрира. Докато струната от китара вибрира нагоре и надолу, електронът в атома, под формата на вълнова функция, вибрира подобно на туптящо сърце (от стегнато/strong до отпуснато/weak състояние). Честотата, с която вълновата функция на електрона вибрира, е правопропорционална на цялостната енергия на електрона. Електроните в атомни състояния с по-висока енергия вибрират с по-висока честота. Понеже електронът е квантов обект с вълнови свойства, той би трябвало винаги да вибрира с някаква честота. За да спре електронът да вибрира, т.е. за да стане честотата му равна на нула, той трябва да бъде унищожен. В атомът това става, например, когато електрон бива всмукан в ядрото и взема участие в ядрена реакция, известна като "електронно захващане" (протон + електрон = неутрон + неутрино, при което поредният номер на химичния елемент намалява с единица. О, чудо! "Трансмутация"! Живакът /пореден номер 80/ се превръща в злато /пореден номер 79/ !!!).
Имайки предвид всичко това, електронът в стабилно атомно състояние НЕ СЕ ДВИЖИ в смисъла на малко твърдо топче, което обикаля около ядрото, подобно на планетите около Слънцето, понеже електронът е разлат като вълна. Освен това, електронът в стабилно атомно състояние НЕ СВ ДВИЖИ и в смисъла на вълна, преминаваща през пространството (подобно на електромагнитна вълна). Електронът, под формата на атомна орбитала, се движи в смисъл на триизмерна форма, която вибрира във времето.
Но истината е доста по-сложна, отколкото такива опростени представи могат да ни подскажат... Има две неща, които описват електрона в квантовата теория: едното е квантовата вълнова функция, а другото е КВАДРАТЪТ НА АМПЛИТУДАТА на същата квантова вълнова функция. (При тази операция "повдигане на квадрат на амплитудата" просто се унищожава фазовата информация на вълновата функция и се избягват участъците, където тя има отрицателен знак. Като пример: "минус три" на квадрат е девет...). Интересното в случая е, че експериментално може да бъде измерен само квадрата на амплитудата на вълновата функция, като същевременно ние все още се нуждаем от "оригинланата" (не повдигната на квадрат) форма на вълновата функция, за да можем посредством нея да предскажем резултатите от множество ДРУГИ експерименти. Поради тази причина (че можем да измерим експериментално само квадрата), някои хора казват, че квадратът на вълновата функция е единственото реално нещо, докато оригиналната вълнова функция бил просто една математическа абстракция, която ни е нужна само защото теорията ни е недодялана...
Дали квадратът (на амплитудата) на вълновата функция е единственото нещо, което има реален физически смисъл, или И самата вълнова функция също има реален физически смисъл? Въпросът е наистина философски, но не и физически, така че няма да се занимаваме с неговото разглеждане тук. За учените, въпросът: "Кое е наистина реално?" не е от голямо значение. Те са далеч по-заинтересовани да открият такива математически уравнения, които в най-голяма степен и с най-голяма точност да описват резултатите от експериментите, които провеждат. Как можем да съотнесем всичко това към електрона в атома? Големият номер е, че оригиналната (не повдигната на квадрат) вълнова функция, описваща състоянието на електрона в атома, наистина ВИБРИРА, докато амплитудата на същата тази вълнова функция, повдигната на квадрат, вече НЕ ВИБРИРА. На практика, физиците наричат стабилните атомни състояния на електрона "стационарни състояния", понеже квадратът на вълновата им функция е константна във времето (не осцилира). Ако ние разглеждаме оригиналната вълнова функция като реална физическа характеристика, то сме длъжни да кажем, че електронът извършва движение под формата на вибрация. Ако обаче застъпим тезата, че квадратът на вълновата функция е единствената реална физическа характеристика, тогава трябва да се съгласим, че електронът в атома не вибрира, и следователно - не извършва никакво движение. Според мен, в първото твърдение (че вибрира) има повече смисъл. Математически може да бъде показано, а и физически измерено, че определени атомни състояния на електрона имат ъглов момент (т.е. ротационен момент). Трудно би било да се твърди едновременно, че електронът в атома хем притежава ъглов момент, хем не извършва абсолютно никакво движение (във всеки един смисъл на това понятие). По тази причина, предпочитам да разглеждам оригиналната вълнова функция като реална физическа характеристика, и като следствие от това, че електронът в атома извършва движение под формата на вибрация. Но отново - въпросът "Кое е наистина реално?" е философски и не е от съществено значение за теорията, която дава безупречни практически резултати. Като заключение: оригиналната вълнова функция на електрон в стабилно атомно състояние извършва движение под формата на вибрация. Дали ще разглеждате това движение като реално или не, си остава ваш избор.
