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!

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