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      電子帶負電原子核帶正電,為何電子不會墜入到原子核中?

       海闊天空7815 2019-07-25

      這其實是一個極其復雜的問題。直接給出答案,電子是可以墜入原子核的,但是需要外界的能量輸入。

      原子模型

      其實19世紀末到20世紀初,很多科學家也都認為電子應該會掉入到原子核內。這當中就包括大名鼎鼎的湯姆遜,盧瑟福。他們之所以有這樣的想法,其實和當時的電磁學理論有關。麥克斯韋提出麥克斯韋方程,統(tǒng)一了”電“和”磁“,預言了電磁波的存在。而赫茲用實驗證明了電磁波的存在。

      而根據(jù)麥克斯韋的電磁學理論,電子應該是不斷地釋放電磁波,損失能量,然后軌道越來越低,最后墜入原子核中。

      因此,當時的湯姆遜就認為原子的模型應該像棗糕一樣,上面鑲嵌電子。在這個模型中,電子是均勻地分布在原子內部的。

      盧瑟福是湯姆遜的學生,他想要證明自己老師的觀點,于是就做了那個著名的α粒子散射實驗。α粒子其實就是氦核,氦核當中有兩個中子和質子,他用氦核當作子彈去轟擊金箔,以此來研究原子核內部的情況。

      按照湯姆遜的棗糕模型,原子的內部應該是均勻的,所以,α粒子穿過時,發(fā)生偏轉的角度應該都差不多??山Y果呢?

      絕大部分的α粒子都穿了過去,只有極其少量的發(fā)生偏轉,而且偏轉角度都很大。這就說明原子內部大部分是空心的,原子核其實很小,α粒子是撞到了原子核后,才有那么大的偏轉角度。于是,盧瑟福提出了他的原子模型:行星模型。

      這個模型其實核我們上初中時學的原子模型很像,電子在原子核外繞著轉,原子核很小,但原子的質量幾乎都集中在原子核上。但是這個模型一被提出來,就遭到了很多科學家吐槽。因此,根據(jù)麥克斯韋的電磁理論,電子還是最終要墜入原子核,變成棗糕模型的。

      后來,盧瑟福有個學生叫做波爾,他提出了一個新的原子模型。這個模型告訴我們,電子是由自己的固定軌道的,一般來說并不會向外輻射電磁波。只有當發(fā)生躍遷時,才會輻射電磁波,以此來保持穩(wěn)定。這里要補充一句,躍遷輻射的能量并不是連續(xù)的,而是一份份的。

      波爾的模型其實和我們的太陽系很像,所以當時的科學家其實還蠻喜歡這個模型的??墒遣柕哪P瓦\用到氫原子還行,元素序數(shù)越大,誤差就大得離譜。

      后來,波爾有個學生叫做海森堡,他提出了著名的不確定性原理,他認為電子并不像波爾說的那樣,有軌道,而是應該用電子云來描述,電子的位置時隨機的,就連電子自己都不知道。我們只能用概率來描述。

      不確定性原理還告訴我們,電子的位置和動量是無法同時測得,觀測本身也會影響電子的運動情況。

      后來,泡利提出了著名的泡利不相容原理,他認為兩個完全相同的費米子(電子就是一種費米子)不可能處于相同的量子態(tài)。換句話說就是處于同一原子軌域的兩個電子必定擁有相反的自旋方向。泡利不相容原理的出現(xiàn),使得我們可以從量子論的角度去解釋元素周期律。

      電子其實可以墜入原子核

      也讓我們明白,為什么原子的第一個軌道只有2個電子,到了氦就要換行。根據(jù)泡利不相容原理和海森堡的不確定性原理,我們可以得出,存在一種電子簡并力,確保兩個電子不能同時占據(jù)相同的量子態(tài),說白了就是不能讓每個軌道的電子超過兩個,電子簡并力可以說就是物質能夠被壓縮的極限。這也是確保了電子不會墜入原子核內的力。不過,如果是在大型天體發(fā)生超新星爆炸之后。

      這之后,可能會出現(xiàn)兩種情況,一種是中子星,一種是黑洞。

      如果電子簡并力都無法對抗自身的引力,因此電子墜入了原子核內部,這個時候,原子核內的質子變成中子跟電子中微子,這就成了一顆中子星。

      這些其實是從海森堡的不確定性原理和泡利不相容原理的角度出發(fā),得到的結論,而實際的觀測結果也確實符合理論。

      從能量的角度

      但其實,我們還可以再深入一點,去思考中子,質子,電子之間的關系。其實中子和質子并不是基本粒子,因為它們理論上是可以再分的,它們都是由三個夸克構成的。

      但是構成中子和質子的夸克不太相同,這就使得中子的質量和質子的質量是不同的。

      根據(jù)愛因斯坦的相對論,質量和能量是可以被統(tǒng)一起來看的,這就意味著中子的能量是要高于質子的能量。不僅如此,即使是加上電子的質量。中子的質量也要高于質子和電子質量的總和,也就是說,中子的能量是要高于質子和電子的能量總和。要知道能量都是由一個從高往低的趨勢,這就好比水往低處流是一個道理。因此,在自然條件下,單獨的一個中子,在15分鐘左右就會變成一個質子和一個電子,并放出能量。

      即使是在原子核內,也會發(fā)生類似的現(xiàn)象,也就是我們常說的衰變。

      也就是說,在自然條件下,一個質子和一個電子是沒辦法變成一個中子的,除非由能量的輸入才有可能實現(xiàn)。

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