一個令科學界頭疼了很久的問題:為什麼電子不會墜落到原子核上?
2023/07/17

原子核與電子共同組成了原子,原子核帶正電荷,電子帶負電荷,電子墜入原子核,這確實是經典物理給出的結果。這是因為電子繞原子核旋轉,電子肯定有向心加速度。根據電磁學,加速運動的電荷輻射電磁波,同時軌道半徑減小,直至墜入原子核。然而,真實世界中原子結構是極其穩定的,這說明經典物理不適用于原子內部的物理過程。科學家也沒有給出電子不被吸入進原子核的具體原因,只是定義了軌道和量子等,強制定義電子只能「吸」到不同的能級軌道。例如玻爾引入了新的原子模型,用于解釋原子的穩定性。

不過玻爾提出的原子模型是由光譜得出的,只適用于氫原子,連氦原子都不行!這充分說明這個理論客觀存在的局限性,根本無法完美解釋這種客觀現象,用這個原子模型只會把自己套死。在經典圖景中,電子的位置與動量是確定的,因此可以用經典軌道來形容其運行狀態,這就是玻爾模型的圖景,確定的電子在確定的軌道上運行。而在量子圖景中,電子不可同時確定位置與動量,具有不確定性。

因此,無法用經典軌道來形容電子的運動軌跡。取而代之的是電子云模型,其中電子就像捉摸不定的云。

這個模型中,相異的「軌道」事實上形容的是電子云的形態。這些「軌道」由幾個量子數(主量子數、角量子數、磁量子數、自旋量子數)來描述,而不是經典軌道的半徑和速度等物理量。這正是經典力學和量子力學對電子運動描述的迥異之處。在此基礎上,原子的穩定性,源于以下三個原因。

第一,電子并沒有「運轉」,它只是「彌漫」在距離原子核幾個固定距離的空間里。所以并不向外輻射電磁波。至于為什麼是這幾個特定的空間或者說「軌道」?因為空間也不是連續的、可無限細分的,它有一個最小的細分單位。也就是說,存在一個「最小距離」,空間距離要麼是0,要麼就是普朗克距離的整數倍。于是小到一個原子的尺度,空間的不連續性導致了電子「軌道」的形成。

第二,原子遵循能量最低原則構成穩定的結構。雖然核外電子理應處于基態以使整個原子系統的能量最低,但電子不斷運動并從其他地方獲取能量,使其表現無規律地分布在原子核周圍。帶電粒子的運動會有電磁輻射,不斷地吸收和釋放能量。因此電子很少停留在基態,更不會掉入原子核內部。

第三,穩定性的原因還在于結合能。一個由多個部分構成的粒子或系統,其部分之間存在一種將它們緊密聯系在一起的能量,即結合能。這種能量的大小與粒子或系統的貼合程度成正比。電子與原子核之間的結合能遠小于核子之間的結合能。因此,在通常情況下,電子不會掉入由高結合能組成的原子核內。這并不是掉入與否的問題,而是能否進入的問題。電子的能量無法達到進入核子內部的程度,因此在通常情況下電子不會掉入核子中。

下面我們來看一下質子和中子所具有的性質。質子和中子是構成原子核的基本粒子,它們之間的結合能差別很大,處于不同的數量級。中子的結合能比質子要大得多。如果某一質子捕捉一電子,并拋棄一中微子,就能夠轉化成一個中子。

這個過程需要巨大的能量,因為質子轉成中子的結合能差異很大。那麼問題來了,外層的電子怎樣獲得足夠大的能量與質子結合,以轉化成中子呢?電子和原子核之間的電磁力能量是根本達不到的,因此電子根本無法進入原子核,更不要說掉進去了。

但是有特例中子星,在中子星形成時,電子能夠被擠進質子,轉變為中子。大質量恒星到后期變成白矮星或紅巨星時,內部形成夸克核。在強力的引力下,恒星殘骸會快速坍塌,引力會摧毀殘骸的原子架構。此時,核外電子受到巨大引力的壓擠進原子核內與質子結合,轉為中子,并釋放中微子。

只有這種級別的能量才能使電子掉到原子核上。另外,原子的原子序數越大,越易于捕獲電子。核外電子捕獲或獲取能量越高,它離核越遠,達到一定程度時,電子就會跳出原子核的力場成為自由電子,即電離。處于這個階段的原子會釋放光子,這就是為什麼會發光。

原子是構成物質的基本單位,原子核對電子具有強大的電磁力,元素種類繁多,因此構成了世界的多樣性。然而,電子本身是肉眼不可見的,它既沒有確定的大小,也沒有確定的位置。它是用來描述物質成分和構成的理論。按照傳統的中國思維,電子被稱為「虛無」。然而,通過庫侖公式能夠證明電子的存在能量。此外,通過元素的外電子分布理論,我們能夠準確解釋物質如何結合和消散的,從而誕生了化工業,以及生物化學、基因理論和工程等。僅化工領域,就有著無窮無盡的發展前景。

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