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一个令科学界头疼了很久的问题:为什么电子不会坠落到原子核上?

2024-07-01科学

原子核与电子共同组成了原子,原子核带正电荷,电子带负电荷, 电子坠入原子核,这确实是经典物理给出的结果。这是因为电子绕原子核旋转,电子肯定有向心加速度。根据电磁学,加速运动的电荷辐射电磁波,同时轨道半径减小,直至坠入原子核。然而,真实世界中原子结构是极其稳定的,这说明经典物理不适用于原子内部的物理过程。科学家也没有给出电子不被吸入进原子核的具体原因,只是定义了轨道和量子等,强制定义电子只能「吸」到不同的能级轨道。例如玻尔引入了新的原子模型,用于解释原子的稳定性。

不过玻尔提出的原子模型是由光谱得出的,只适用于氢原子,连氦原子都不行!这充分说明这个理论客观存在的局限性,根本无法完美解释这种客观现象,用这个原子模型只会把自己套死。在经典图景中,电子的位置与动量是确定的,因此可以用经典轨道来形容其运行状态,这就是玻尔模型的图景,确定的电子在确定的轨道上运行。而在量子图景中,电子不可同时确定位置与动量,具有不确定性。因此,无法用经典轨道来形容电子的运动轨迹。取而代之的是电子云模型,其中电子就像捉摸不定的云。

这个模型中,相异的「轨道」事实上形容的是电子云的形态。这些「轨道」由几个量子数(主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数)来描述,而不是经典轨道的半径和速度等物理量。这正是经典力学和量子力学对电子运动描述的迥异之处。 在此基础上,原子的稳定性,源于以下三个原因。

第一,电子并没有「运转」,它只是「弥漫」在距离原子核几个固定距离的空间里。所以并不向外辐射电磁波。至于为什么是这几个特定的空间或者说「轨道」?因为空间也不是连续的、可无限细分的,它有一个最小的细分单位。也就是说,存在一个「最小距离」,空间距离要么是0,要么就是普朗克距离的整数倍。于是小到一个原子的尺度,空间的不连续性导致了电子「轨道」的形成。

第二,原子遵循能量最低原则构成稳定的结构。虽然核外电子理应处于基态以使整个原子系统的能量最低,但电子不断运动并从其他地方获取能量,使其表现无规律地分布在原子核周围。带电粒子的运动会有电磁辐射,不断地吸收和释放能量。因此电子很少停留在基态,更不会掉入原子核内部。

第三,稳定性的原因还在于结合能。一个由多个部分构成的粒子或系统,其部分之间存在一种将它们紧密联系在一起的能量,即结合能。这种能量的大小与粒子或系统的贴合程度成正比。电子与原子核之间的结合能远小于核子之间的结合能。因此,在通常情况下,电子不会掉入由高结合能组成的原子核内。这并不是掉入与否的问题,而是能否进入的问题。电子的能量无法达到进入核子内部的程度,因此在通常情况下电子不会掉入核子中。

下面我们来看一下质子和中子所具有的性质。质子和中子是构成原子核的基本粒子,它们之间的结合能差别很大,处于不同的数量级。中子的结合能比质子要大得多。如果某一质子捕捉一电子,并 抛弃一 中微子,就能够转化成一个中子。这个过程需要巨大的能量,因为质子转成中子的结合能差异很大。那么问题来了,外层的电子怎样获得足够大的能量与质子结合,以转化成中子呢?电子和原子核之间的电磁力能量是根本达不到的,因此电子根本无法进入原子核,更不要说掉进去了。

但是有特例中子星,在中子星形成时,电子能够被挤进质子,转变为中子。大质量恒星到后期变成白矮星或红巨星时,内部形成夸克核。在强力的引力下,恒星残骸会快速坍塌,引力会摧毁残骸的原子架构。此时,核外电子受到巨大引力的压挤进原子核内与质子结合,转为中子,并释放中微子。

只有这种级别的能量才能使电子掉到原子核上。另外,原子的原子序数越大,越易于捕获电子。核外电子捕获或获取能量越高,它离核越远,达到一定程度时,电子就会跳出原子核的力场成为自由电子,即电离。处于这个阶段的原子会释放光子,这就是为什么会发光。

原子是构成物质的基本单位,原子核对电子具有强大的电磁力,元素种类繁多,因此构成了世界的多样性。然而,电子本身是肉眼不可见的,它既没有确定的大小,也没有确定的位置。它是用来描述物质成分和构成的理论。按照传统的中国思维,电子被称为"虚无"。然而,通过库仑公式能够证明电子的存在能量。此外,通过元素的外电子分布理论,我们能够准确解释物质如何结合和消散的,从而诞生了化工业,以及生物化学、基因理论和工程等。仅化工领域,就有着无穷无尽的发展前景。