อะตอมของไฮโดรเจนแบบกลศาสตร์นิวตัน

อะตอมของไฮโดรเจน คือ โปรตอน 1 ตัว กับ อิเล็กตรอน 1 ตัว

โปรตอนและอิเล็กตรอนมีแรงไฟฟ้าดึงดูดกัน ตรงข้ามกับอิเล็กตรอนสองตัวผลักกัน จากกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันจะได้ว่า \[ -\frac{q^2}{4\pi\epsilon_0} \frac{1}{r^2} = ma \] ในพิกัดเชิงขั้ว จะได้สมการเป็น \[ -\frac{q^2}{4\pi\epsilon_0 m} \frac{1}{r^2} e_r = \Big( \frac{d^2 r}{dt^2} - r\omega^2 \Big) e_r + \Big( r\frac{d^2 \theta}{dt^2} + 2 \frac{dr}{dt} \omega \Big) e_\theta \] โดย \(m\) เป็นมวลลดทอนของอิเล็กตรอนกับโปรตอน และสัมประสิทธิ์ \[ \frac{q^2}{4\pi\epsilon_0 m} \approx 253.2\ \mathrm{m^3/s^2} \] ได้ผลลัพธ์เป็น \[ r(\theta) = \frac{r_0 (1 + f)}{1 + f \cos\theta} \] \[ f = \frac{4 \pi \epsilon_0 m}{q^2} r_0^3 \omega_0^2 - 1 \]

  • กรณีที่ \(|f| \lt 1 \) อิเล็กตรอนเคลื่อนที่อย่างมีคาบ เป็นวงรี คงอยู่รวมกับโปรตอนที่ระยะใกล้กับ \(r_0\)
    กรณีพิเศษ \( f = 0 \) อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นวงกลม รัศมีคงที่
  • กรณีที่ \(|f| \geq 1 \) อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ออกไปเป็นไฮเปอร์โบลา (หรือพาราโบลาในกรณีที่ \(|f|=1\))

หากพิจารณาตามกฎของนิวตัน จะได้ว่าอิเล็กตรอนมีวงโคจรที่คงที่รอบโปรตอนได้ที่รัศมีใดก็ได้
แต่ประจุที่มีความเร่ง \(a\) จะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกด้วยกำลัง \[ P_{rad} = \frac{q^2 a^2}{6\pi\epsilon_0 c^3} \] ในกรณีที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นวงกลม ความเร่งจะเป็น \[ ma = m r^2 \omega^2 = \frac{q^2}{4\pi\epsilon_0 r} \] พลังงานของระบบ \[ E = \frac12 m r^2 \omega^2 - \frac{q^2}{4\pi\epsilon_0 r} = -\frac{q^2}{8\pi\epsilon_0 r} \] เมื่อคิดอัตราการสูญเสียพลังงานเป็น \[ P_{rad} = -\frac{dE}{dt} \] แทนค่าจะได้ \[\begin{align} \frac{q^2}{6\pi\epsilon_0 c^3} \Big( \frac{q^2}{4\pi\epsilon_0 m r^2} \Big)^2 &= -\frac{q^2}{8\pi\epsilon_0 r^2} \frac{dr}{dt} \\ \frac{dr}{dt} &= - \frac{4}{3c^3} \Big( \frac{q^2}{4\pi\epsilon_0 m r} \Big)^2 \\ \frac13 (r^3 - r_0^3) &= - \frac{4}{3c^3} \Big( \frac{q^2}{4\pi\epsilon_0 m} \Big)^2 t_{\mathrm{fall}} \\ r_0^3 &= \frac{4}{c^3} \Big( \frac{q^2}{4\pi\epsilon_0 m r} \Big)^2 t_{\mathrm{fall}} \\ t_{\mathrm{fall}} &= \frac14 \Big( \frac{4\pi\epsilon_0 m}{q^2} \Big)^2 c^3 r_0^3 \end{align}\] ด้วยอัตรานี้ อิเล็กตรอนที่รัศมี 1 nm จะชนกับโปรตอนในเวลา \[ t_{\mathrm{fall}} \approx \frac14 \frac{ (0.3 \ \mathrm{Gm/s})^3 (1 \ \mathrm{nm})^3}{(253.2 \ \mathrm{m^3/s^2})^2} \approx 105 \ \mathrm{ns} \] หรือที่รัศมี 1 um จะเป็น 105 s
หรือที่รัศมีจริงประมาณ 52.9 pm จะเป็น 15.6 ps
ซึ่งไม่สอดคล้องกับความเป็นจริงที่อะตอมยังคงรัศมีเท่าเดิมอยู่ได้

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันและการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นไม่ถูกต้องในกรณีนี้ ควรใช้สมการเชรอดิงเจอร์จึงจะสอดคล้องกับความเป็นจริง