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电子和原子核分别带负电和正电，电子为何没有被坠落到原子核上？

发布者：闲散之人 2023-7-23 05:17

这种说法其实是不严谨的，电子并不是不会坠落到原子核上，只是说“电子在正常情况下是不会坠落到原子核上的”。而在一些极端情况下，电子确实会坠落到原子核上，简单讲：需要极大的能量才行。

下面来具体讲讲怎么回事。

其实，人类对原子结构的认知变革是从20世纪初开始的，之前人们一直认为原子是不可分割的最小单元，就像一个实体玻璃球那样。

不过随着麦克斯韦提出了伟大的麦克斯韦方程组，统一了电磁学，从而预言了电磁波的存在，很多科学家认为电子在原子核外运行的过程中会不断释放电磁波，损失能量，结果就是轨道越来越低，最终就会坠落到原子核上。

对于原子的结构，科学家汤姆逊最早提出了枣糕模拟性，认为电子应该均匀地分布在原子核内部。不过汤姆逊的学生，卢瑟福之后做了一个著名的实验，α粒子散射实验，实验结果表明，原子内部大部分都应该是虚空的，原子核很小。

根据实验结果，卢瑟福提出了另一个原子模型：行星模型。认为原子结构就像太阳系那样，原子核就像太阳，电子就像八大行星那样围绕原子核旋转。

不过行星模型仍旧不能解释麦克斯韦的电磁理论推导出来的结果，电子还是会坠落到原子核上，而现实中电子并不会坠落到原子核上。

紧接着，卢瑟福的学生玻尔提出了一个全新的原子模型，这个原子模型中的核心思想是电子跃迁，认为电子有固定的轨道，如此一来就不会向外辐射电磁波，只有在发生电子跃迁时，才会辐射或者吸收电磁波，从而让原子结构保持稳定。

而且，电子跃迁辐射或者吸收的能量并不是连续的，而是一份一份的，必须是光量子的整数倍。不过玻尔的这个原子模型仍然有瑕疵，只适用于氢原子，对于元素序数越大的原子，误差就会越大。

接下来玻尔的学生海森堡登场了，他提出了测不准原理，也就是不确定性原理，认为电子并没有固定的轨道，电子的位置完全是随机的，随机出现在原子核外围的某个位置，只能用概率去描述，这也被称为“电子云”。

不确定性原理表明，我们无法同时测量出电子的速度和位置，同时认为观测行为都会影响电子的状态。

之后，泡利提出了著名的泡利不相容原理，该原理表明，两个或两个以上的微观粒子不能处于相同的量子态。用宏观世界打比方就是，两个人不同处于同一个房间，如果一个人已经在房间里，另外一个人也想去那个房间，房间里的人就会极度排斥，进而产生巨大的“排斥力”。

这种强大的力量就是“电子简并压”，电子就如同房间里的人那样，会极度排斥“外来者”，进而产生极大的“排斥力”。

电子简并压通常也是物体被压缩的极限，同时也保证电子不会坠落到原子核上。

不过，如果外部输入的能量巨大，结果就是电子简并压也无法抵抗，于是电子就会坠落到原子核上，与带正电的质子结合，形成中子星。中子之间也会有强大的“中子简并压”，这种力量比“电子简并压”更强大。

不过如果外部力量足够大，中子简并压也无法对抗，于是中子也会被迫压缩到一起，形成黑洞！

其实从能量的角度解读也是能说得通的。虽然质子和中子都是由三个夸克组成的，但夸克的种类并不一样，质子只有两个上夸克和一个下夸克组成的，而中子是由两个下夸克和一个上夸克组成的。

根据爱因斯坦的质能方程，能量和质量可以理解为是一个东西，而电子与质子结合形成中子，说明中子的能量比质子的能量要大。事实上，即便是加上电子的质量，中子的质量还是要多于质子质量加上电子质量，也意味着中子蕴含的能量高于质子与电子的能量之和。

而能量都有这样的趋势：总是趋于从高到低，这与水总是往低处流是同样道理。所以自然情况下，独自存在的种子，在十几分钟内就会衰变为电子和质子，同时释放出能量，这个过程就是贝塔衰变。

另一方面也说明了在自然条件下，电子和质子是无法结合成中子的，要想结合，必须有足够的能量输入才行！

沃尔夫冈·泡利 2019未来科学大奖黑洞维尔纳·海森堡太阳系阿尔伯特·爱因斯坦

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