אם נתאר אטומים רק בעזרת כוח קולון (הכוח הפועל בין שני מטענים חשמליים), האלקטרון והגרעין היו נמשכים זה לזה ושום אטום יציב לא היה יכול להתקיים. ברור שאין זה מצב העניינים. נילס בוהר היה הראשון (בשנת 1913) להציע מודל טוב יותר, אשר מתאר אלקטרונים הנעים מסביב לגרעין האטום במסלולים מעגליים. כל סיבוב מתאים לרמת אנרגיה מסוימת (בדידה). מודל זה היה מבוסס על קוונטיזציה של התנע הזוויתי.
אך אלקטרונים הנעים במסלולים מעגליים הם בעלי תאוצה עקב הכח הצנטריפטלי. בתורה האלקטרומגנטית הקלאסית, חלקיק מואץ טעון חשמלית חייב לפלוט קרינה אלקטרומגנטית עקב שימור אנרגיה. על כן, האלקטרון יאבד אנרגיה ו'יצלול' לעבר הגרעין. ושוב, גם כאן אטום יציב לא יכול להתקיים.
מסתבר שהתמונה של אלקטרונים נעים במעגלים מסביב לגרעין אינה נכונה. בכך שאנו אומרים ש"אלקטורן חג מסביב לגרעין" , אנו למעשה מניחים שאנו יכולים לעקוב אחר המיקום והתנע של אותו אלקטרון באטום במהלך הזמן. אין לנו שום יכולת לעשות זאת עקב עיקרון אי הוודאות במכניקת הקוונטים. על פי עיקרון אי הודאות לא ניתן לקבוע במדויק הן את מיקומו של החלקיק והן את מהירותו. דיוק במדידת אחד המשתנים הללו יביא לגריעה ברמת הדיוק של המשתנה האחר. אי הדיוק הוא מהותי ולא תלוי כלל באיכות המדידה וטיב מכשירי המדידה שלנו. עיקרון אי-הוודאות הוא מאבני היסוד במכניקת הקוונטים (בטבע) ועלינו לקבלו כמו שהוא.
הפתרון כאן הוא יישום מכניקת הקוונטים בעזרת משוואת שרדינגר ושימוש במושג פונקציית גל. על ידי שימוש בפורמליזם שכזה, ה"אלקטרון" תופס נפח של שטח בו זמני כך שהוא למעשה "נמרח" באופן גיאומטרי מסביב לגרעין. בעוד שאין עוד "מסלולים", אנו כן משתמשים במינוח "מסלולים" (אורביטלים) לציין את הצורה הגיאומטרית של ענן האלקטרון שמסביב לאטום.
בתיאור המערכת במונחים של פונקציית גל קוונטית, מתקבלים מצבים של מערכת הגרעין+האלקטרונים אשר מתאימים לתצפיות ניסיוניות בכל הנוגע לספקטרום האטומים. מכיוון שאין לנו לחשוב על "מסלולים" במובן הקונבנציונאלי, הבעיה של אלקטרונים המקרינים כתוצאה של תנועה מואצת אינה משמעותית יותר. הפורמליזם הקוונטי מסביר מדוע יש לנו אטומים יציבים (במובן שאלקטרונים אינם "נופלים" לעבר הגרעין).
ענן של אלקטרונים מסביב לגרעין האטום
מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
