Hvorfor falder elektronerne ikke ind på atomkernen?

Hej Niels Bohr institutet
Jeg har et rent interesse spørgsmål, men som også er ret relevant i forhold til en nærmende prøve.

Hvad er det, som holder elektronerne uden for kernen?

- Altså, hvis elektronen tiltrækkes af protonen, hvordan kan det så være den er ude i skallen og ikke "kollapser" ind i kernen?

Med venlig hilsen
T

Det er en spændende historie at se på historisk især her i Danmark. Man kunne rimeligt begynde med kemikeren John Dalton (UK,  1766 – 1844), som brugte det gamle græske begreb atom til at forklare, at de kemiske egenskaber af forskellige stoffer er forskellige.

Han foreslog, at der hørte et bestemt atom til hvert stof. Man havde ingen forestilling om størrelse af atomet da. Dette fulgtes op og blev udbygget i 1869 af Dmitri Ivanovich Mendeleev (Rusland, 1834 – 1907) som opstillede grundstoffernes periodiske system (ordnede de kemiske stoffer på en logisk måde).

I 1827 opdagede botanikeren Robert Brown (Skotland, 1773 – 1858) de brownske bevægelser, opkaldt efter ham. Han havde blomsterpollen under mikroskop i vand, og så at de bevægede sig stødvis. Han forstod, at dette skyldes at de små pollen rammes af vandmolekylerne og flyttes rundt, og det blev senere klart, at det var de termiske bevægelser af vandmolekylerne, der havde ansvaret.

I 1865 målte Johann Josef Loschmidt (A, 1821 - 1895), hvor stort et luftmolekyle var, det var et afgørende fremskridt, fordi det gav en fysisk forestilling om atomet.

I 1897 opdagede fysikeren Sir Joseph John Thomson NP (UK, 1856 – 1940) elektronen i form af katodestråling og fandt derfra, at denne elektron måtte være en del af ethvert atom. Han bestemte, at den havde negativ ladning og en meget lille masse i forhold til atomet (faktisk ca. 1/2000). Han opstillede en model af atomet, som man kalder rosinbollemodellen, hvor han mente, at elektronerne sad som rosiner i en bolle inde i kernen. Af en række grunde, indså man ret hurtigt, at det næppe var løsningen. Man søgte også at lave modeller, hvor elektronerne kredsede om atomkernen, som måner om jorden (hvilket vi ved er en rimelig stabil situation).

Problemet her var, at Maxwells ligninger fra 1873 om elektricitetslære sagde, at en accelereret ladning vil udstråle elektromagnetiske bølger (f.eks. som elektroner som svinger frem og tilbage i en senderantenne til radio). En kredsbevægelse som månen foretager, er en bevægelse, hvor der hele tiden er en acceleration (ellers ville den flyve lige ud og ikke i en cirkel), så man kunne se, at elektronerne i atomet ville stråle, og det hele ville falde sammen og elektronerne ramme kerne på brøkdele sekunder. Jorden har eksisteret i mere en 4 milliarder år, det er altså klart ikke tilfældet.

Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson (NZ,  1871 – 1937) ledede et team bestående af Hans Geiger (D, 1882 – 1945), Sir Ernest Marsden (NZ, 1889 – 1970), som i 1909 skød alfa-partikler imod et guldfolie. De fleste partikler gik lige igennem, men enkelte ramte eller kom meget nær atomkernerne i guldfoliet og blev spredt i vinkler ud til siderne. Ud fra dette eksperiment var det muligt, at bestemme atomkernens størrelse. Konklusionen var, at de positive ladninger sad i denne ganske lille kerne, og kompenserede ladningen fra elektronerne for hvert atom.

I 1913 løste Niels Henrik David Bohr (Dk, 1885 – 1962) problemet med udstrålingen af elektromagnetiske bølger fra elektronerne ved at indføre kvantisering til forståelse af atomet. Hans teori går ud på, at der er visse kugleskaller (uendeligt mange, men meget klart opdelte især for de inderste, de yderste ligger tæt) omkring atomkernen, hvor elektronen kan bevæge sig uden energitab. De kan kun springe til en anden skal (niveau) enten ved at afgive den præcise energi, som er energiforskellen imellem de to skaller, som lys når de hopper nærmere atomet, hvor de er fastere bundet, eller ved at modtage en præcis energiforskel imellem skallerne når de hopper udad. 

Denne model kunne forklare spektrallinjerne fra atomerne, man ser helt præcist for Hydrogen (brint) og efterhånden en række andre stoffer. Siden har kvanteteorien, herunder de usikkerhedsrelationer som Werner Karl Heisenberg (D, 1901 – 1976) opstillede i 1926 betydet, at man opfatter elektronen både som en bølge og en partikel.

Disse usikkerhedsrelationer siger, at vi ikke både præcist samtidigt kan måle, hvor en partikel er og dens hastighed, fordi selve målingen påvirker det vi ønsker at måle. Det, at elektronen også har en bølgenatur betyder, at vi opfatter elektronskallerne som det sted, hvor der er meget høj sandsynlighed for at finde elektronerne, men deres bølgenatur gør at de godt kan passerer selve kernen.

Selve kernen i et atom, har en størrelse omkring 10^-14 m og atomet dvs. elektronskyen omkring kernen omkring 10^-10 m. Det er denne elektronsky, som er den diameter man måler, atomet har, ved sammenpresning af f.eks. gasser og ved kemiske undersøgelser.  Det er elektronskyerne, der gør, at vi kan lave sammensatte kemiske stoffer, og som holder grundstofatomer sammen i molekyler.

Al forståelse af atomet i dag hviler på denne såkaldte kvanteteori, hvor Niels Bohr tog umådelig vigtige skridt i teoriens opstilling, sammen med en lang række fysikere i perioden 1900 til ca. 1940.

Ovenstående videnskabsmænd sammen med en lang række andre kom  altså frem til  at elektronerne som er både partikler og bølger, har størst sandsynlighed for at opholder sig i baner (stationære tilstande) på bestemte kugleskaller om atomkernen, og at de i de baner ikke taber energi. Skal de springe fra bane til bane skal de have tilført eller de afgiver energi i form af elektro-magnetisk stråling f.eks. lys, der præcist svarer til energiforskellen imellem banerne. Dette beskrives præcist i den del af fysikken, som hedder kvantemekanik, men som desværre matematisk er ret tung, at arbejde med.

Med venlig hilsen
Erik Johnson
Malte Olsen