Модель атома находится в постоянном развитии. Для того, чтобы понять, почему электрон вращается вокруг ядра, нужно знать что-то о структуре атома, а также о законах физики, которые контролируют поведение его составных частей.
Атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны сидят в ядре, а электроны вращаются вокруг ядра по определенной орбите. Одна из ключевых черт электрона заключается в том, что он имеет отрицательный заряд. Протоны в ядре имеют положительный заряд и, следовательно, атом в целом имеет нейтральный заряд.
Один из первых ученых, который пытался объяснить, почему электрон вращается вокруг ядра, был Нильс Бор. Он предложил модель атома, в котором электрон вращается вокруг ядра и может пребывать только на определенных орбитах. Другими словами, электрон может находиться только на тех орбитах, которые соответствуют определенным возможным значениям его энергии. Бор также установил, что когда электрон переходит с более высокой орбиты на менее высокую, он испускает фотон – то есть порцию света.
Модель Бора является упрощенной и не учитывает многих особенностей атома. Например, она не объясняет, почему электрон не теряет энергию, двигаясь вокруг ядра. Тем не менее, она была важным шагом в понимании структуры атома.
Современные ученые рассматривают атом с точки зрения квантовой механики. Квантовая механика описывает поведение микроскопических объектов, таких как атомы, с точностью до определенной вероятности. В квантовой механике, электрон рассматривается как волна, которая может находиться в определенных областях или «орбитах» (см. области вероятности на рисунке ниже). Электрон не движется по точечным орбитам, как это предсказывал Бор, но существует в определенных областях вокруг ядра. Относительно этих областей говорят об орбиталях.
Каким образом электрон находится на этой орбите и не сходит на более низкую, более близкую к ядру, орбиту? Все дело в силе притяжения, которую оказывает на электрон положительно заряженное ядро. Привлекательная сила между электроном и ядром не позволяет электрону «упасть» на ядро. При этом, переход электрона на менее высокую орбиту происходит только при поглощении или выделении энергии, например, при поглощении или испускании фотона света, как сказано выше.
Одним из наиболее фундаментальных законов физики, определяющих поведение электрона в атоме, является закон Кулона. Он гласит, что заряженные частицы взаимодействуют друг с другом с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, и пропорциональной произведению их зарядов. Таким образом, положительно заряженное ядро притягивает к себе отрицательно заряженный электрон, создавая центростремительную силу, которая заставляет его двигаться по орбите.
Сама орбита, по которой движется электрон, определяется как область, где вероятность найти электрон высока. В квантовой механике она обозначается как орбиталь. Орбитали могут быть сферическими, плоскими или более сложными формами, которые совокупно создают трехмерный область вероятности нахождения электрона в пространстве. Орбиталь определяется частотой колебаний электрона в различных точках пространства. Количество орбиталей для каждой энергетической уровня атома определяется квантовыми числами.
Электрон имеет волновую природу, и его поведение описывается с помощью волнового уравнения Шредингера. Оно учитывает все силы, действующие на электрон в атоме, включая кулоновское взаимодействие, центростремительную силу и электромагнитное излучение. Решение уравнения Шредингера позволяет определить форму орбитали и энергию, связанную с этой орбиталью.
Таким образом, электрон вращается вокруг ядра благодаря взаимодействию между электроном и ядром. Он не движется по точечным орбитам, а существует в определенных областях (орбиталях) вокруг ядра. Форма орбитали и энергия электрона определяются решением уравнения Шредингера. Понимание структуры атома и поведения его составных частей является фундаментальным для понимания различных явлений в природе и развития современных технологий.