Γιατί το ηλεκτρόνιο στο υδρογόνο δεν συγκρούεται με το πρωτόνιο;

Το ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο υδρογόνου δεν συγκρούεται με το πρωτόνιο λόγω των νόμων της κβαντικής μηχανικής. Στην κβαντική μηχανική, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια περιγράφονται ως λειτουργίες κύματος, οι οποίες είναι μαθηματικές λειτουργίες που περιγράφουν την κατάσταση του συστήματος. Οι λειτουργίες κύματος των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων κατανέμονται σε μια περιοχή χώρου και η πιθανότητα εύρεσης ηλεκτρονίου ή πρωτονίου σε μια συγκεκριμένη θέση δίνεται από το τετράγωνο της λειτουργίας κύματος.

Οι λειτουργίες κύματος των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων σε ένα άτομο υδρογόνου είναι τέτοιες ώστε η πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο στην ίδια θέση με ένα πρωτόνιο είναι πολύ μικρή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι λειτουργίες κύματος των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων έχουν διαφορετικά σχήματα και διαχωρίζονται επίσης από μια περιοχή χώρου γνωστή ως "ακτίνα Bohr". Η ακτίνα Bohr είναι η μέση απόσταση μεταξύ του ηλεκτρονίου και του πρωτονίου σε ένα άτομο υδρογόνου.

Οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής εμποδίζουν επίσης το ηλεκτρόνιο να στρέφει στο πρωτόνιο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το ηλεκτρόνιο έχει μια ορισμένη ποσότητα γωνιακής ορμής, που είναι ένα μέτρο της περιστροφής του. Η γωνιακή ορμή του ηλεκτρονίου τη διατηρεί σε τροχιά γύρω από το πρωτόνιο.

Στην κλασσική φυσική, ένα ηλεκτρόνιο θα σπειροτήθηκε στο πρωτόνιο, επειδή θα χάσει συνεχώς την ενέργεια μέσω της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ωστόσο, στην κβαντική μηχανική, το ηλεκτρόνιο μπορεί να χάσει μόνο ενέργεια σε διακριτές ποσότητες, γνωστές ως quanta. Η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να χάσει το ηλεκτρόνιο καθορίζεται από τη διαφορά μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων των τροχιών του ηλεκτρονίου. Τα ενεργειακά επίπεδα των τροχιών του ηλεκτρονίου είναι κβαντισμένα, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να έχουν μόνο ορισμένες τιμές.

Το χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας του ηλεκτρονίου σε ένα άτομο υδρογόνου είναι γνωστό ως "κατάσταση εδάφους". Το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να χάσει ενέργεια και σπείρα στο πρωτόνιο, εκτός αν έχει αρκετή ενέργεια για να φτάσει στο επόμενο ενεργειακό επίπεδο, το οποίο είναι γνωστό ως "διεγερμένη κατάσταση". Η ενέργεια που απαιτείται για να διεγείρει το ηλεκτρόνιο στο επόμενο επίπεδο ενέργειας είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια που μπορεί να χάσει το ηλεκτρόνιο μέσω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το ηλεκτρόνιο δεν σπείρει στο πρωτόνιο.