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          電子帶負(fù)電原子核帶正電,為何電子不會(huì)墜入到原子核中?

          這其實(shí)是一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)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(shí)19世紀(jì)末到20世紀(jì)初,很多科學(xué)家也都認(rèn)為電子應(yīng)該會(huì)掉入到原子核內(nèi)。這當(dāng)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(shí)和當(dāng)時(shí)的電磁學(xué)理論有關(guān)。麥克斯韋提出麥克斯韋方程,統(tǒng)一了”電“和”磁“,預(yù)言了電磁波的存在。而赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在。

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

          因此,當(dāng)時(shí)的湯姆遜就認(rèn)為原子的模型應(yīng)該像棗糕一樣,上面鑲嵌電子。在這個(gè)模型中,電子是均勻地分布在原子內(nèi)部的。

          盧瑟福是湯姆遜的學(xué)生,他想要證明自己老師的觀點(diǎn),于是就做了那個(gè)著名的α粒子散射實(shí)驗(yàn)。α粒子其實(shí)就是氦核,氦核當(dāng)中有兩個(gè)中子和質(zhì)子,他用氦核當(dāng)作子彈去轟擊金箔,以此來(lái)研究原子核內(nèi)部的情況。

          按照湯姆遜的棗糕模型,原子的內(nèi)部應(yīng)該是均勻的,所以,α粒子穿過(guò)時(shí),發(fā)生偏轉(zhuǎn)的角度應(yīng)該都差不多??山Y(jié)果呢?

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

          這個(gè)模型其實(shí)核我們上初中時(shí)學(xué)的原子模型很像,電子在原子核外繞著轉(zhuǎn),原子核很小,但原子的質(zhì)量幾乎都集中在原子核上。但是這個(gè)模型一被提出來(lái),就遭到了很多科學(xué)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(lái),盧瑟福有個(gè)學(xué)生叫做波爾,他提出了一個(gè)新的原子模型。這個(gè)模型告訴我們,電子是由自己的固定軌道的,一般來(lái)說(shuō)并不會(huì)向外輻射電磁波。只有當(dāng)發(fā)生躍遷時(shí),才會(huì)輻射電磁波,以此來(lái)保持穩(wěn)定。這里要補(bǔ)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(shí)和我們的太陽(yáng)系很像,所以當(dāng)時(shí)的科學(xué)家其實(shí)還蠻喜歡這個(gè)模型的??墒遣柕哪P瓦\(yùn)用到氫原子還行,元素序數(shù)越大,誤差就大得離譜。

          后來(lái),波爾有個(gè)學(xué)生叫做海森堡,他提出了著名的不確定性原理,他認(rèn)為電子并不像波爾說(shuō)的那樣,有軌道,而是應(yīng)該用電子云來(lái)描述,電子的位置時(shí)隨機(jī)的,就連電子自己都不知道。我們只能用概率來(lái)描述。

          不確定性原理還告訴我們,電子的位置和動(dòng)量是無(wú)法同時(shí)測(cè)得,觀測(cè)本身也會(huì)影響電子的運(yùn)動(dòng)情況。

          后來(lái),泡利提出了著名的泡利不相容原理,他認(rèn)為兩個(gè)完全相同的費(fèi)米子(電子就是一種費(fèi)米子)不可能處于相同的量子態(tài)。換句話說(shuō)就是處于同一原子軌域的兩個(gè)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(shí)可以墜入原子核

          也讓我們明白,為什么原子的第一個(gè)軌道只有2個(gè)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(jiǎn)并力,確保兩個(gè)電子不能同時(shí)占據(jù)相同的量子態(tài),說(shuō)白了就是不能讓每個(gè)軌道的電子超過(guò)兩個(gè),電子簡(jiǎn)并力可以說(shuō)就是物質(zhì)能夠被壓縮的極限。這也是確保了電子不會(huì)墜入原子核內(nèi)的力。不過(guò),如果是在大型天體發(fā)生超新星爆炸之后。

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

          如果電子簡(jiǎn)并力都無(wú)法對(duì)抗自身的引力,因此電子墜入了原子核內(nèi)部,這個(gè)時(shí)候,原子核內(nèi)的質(zhì)子變成中子跟電子中微子,這就成了一顆中子星。

          這些其實(shí)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(jié)論,而實(shí)際的觀測(cè)結(jié)果也確實(shí)符合理論。

          從能量的角度

          但其實(shí),我們還可以再深入一點(diǎn),去思考中子,質(zhì)子,電子之間的關(guān)系。其實(shí)中子和質(zhì)子并不是基本粒子,因?yàn)樗鼈兝碚撋鲜强梢栽俜值?,它們都是由三個(gè)夸克構(gòu)成的。

          但是構(gòu)成中子和質(zhì)子的夸克不太相同,這就使得中子的質(zhì)量和質(zhì)子的質(zhì)量是不同的。

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

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

          也就是說(shuō),在自然條件下,一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子是沒(méi)辦法變成一個(gè)中子的,除非由能量的輸入才有可能實(shí)現(xiàn)。

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