Γιατί τα πρωτόνια δεν κολλάνε στα ηλεκτρόνια;

Τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια έλκονται μεταξύ τους επειδή το θετικό ηλεκτρικό φορτίο του πρωτονίου έλκεται από το αρνητικό φορτίο του ηλεκτρονίου. Αλλά, εάν τα δύο σωματίδια βρίσκουν το ένα το άλλο τόσο ελκυστικό, γιατί τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια δεν κολλάνε μεταξύ τους;

Τροχίες και κύματα

Κατά μία έννοια, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια κολλάνε μεταξύ τους όσο περισσότερο μπορούν. Απλώς δεν μπορούν να μείνουν μαζί. Μοιάζει με τη Γη και τον Ήλιο. Η βαρυτική δύναμη έλκει τη Γη και τον Ήλιο μαζί. Η Γη πάντα πέφτει προς τον Ήλιο, αλλά κινείται τόσο γρήγορα που το αποτέλεσμα είναι σε τροχιά.

Ένα ηλεκτρόνιο έχει πολλή κινητική ενέργεια. Η συνεχής κίνησή του το κρατά σε τροχιά γύρω από τον ατομικό πυρήνα, ο οποίος περιέχει τα πρωτόνια. Όμως, είναι πιο περίπλοκο από το παράδειγμα της Γης και του Ήλιου, επειδή η Γη παραμένει σε μια καλά καθορισμένη τροχιά ενώ ένα ηλεκτρόνιο είναι πιθανόν μέσα στο τροχιακό του. Σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή, ένα ηλεκτρόνιο θα μπορούσε να βρίσκεται έξω από το τροχιακό του ή ακόμα και εντός του ατομικού πυρήνα.

Όμως, το ηλεκτρόνιο είναι πολύ, πολύ μικρό σε σύγκριση με το μέγεθος ενός πρωτονίου ή νετρονίου. Ακόμα κι αν περάσει μέσα από τον πυρήνα, υπάρχει πολύς ελεύθερος χώρος. Επιπλέον, τα ηλεκτρόνια έχουν ιδιότητες τόσο των κυμάτων όσο και των σωματιδίων. Το μήκος κύματος του ηλεκτρονίου δεν μπορεί να συμπιεστεί αισθητά χωρίς να αλλοιωθούν οι ιδιότητές του, επομένως είναι ήδη όσο πιο κοντά στο πρωτόνιο μπορεί να φτάσει. Λόγω των μηκών κύματος, τα δύο σωματίδια ουσιαστικά αγγίζουν το ένα το άλλο.

Όταν τα πρωτόνια κολλάνε στα ηλεκτρόνια

Κάτω από εξαιρετικές συνθήκες, τα πρωτόνια κολλάνε στα ηλεκτρόνια. Η υψηλή πίεση μέσα σε ένα αστέρι νετρονίων αναγκάζει τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια να αντιδράσουν για να σχηματίσουν νετρόνια. Τα ελεύθερα νετρόνια δεν διαρκούν πολύ. Μέσα σε περίπου 14 λεπτά, το ελεύθερο νετρόνιο διασπάται για να σχηματίσει ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, τα οποία με τη σειρά τους σχηματίζουν ένα άτομο υδρογόνου.