电子带负电,原子核带正电,异性相吸,为何电子没掉进原子核内?

真实的原子模型

相信很多人在上初高中时,都有看到过原子模型,一般来说,这个模型就是一个原子核在中心,外面有电子,电子有相应的轨道。这就好像我们的太阳系一样,中心有个太阳,外面各个行星在各自轨道上。

然后,老师一般还会说,原子核是带正电,电子是带负电的。原子核是由质子和中子构成的,质子带正电,中子不带电,因此,原子核才会带正电。

实际上,初高中老师讲授的原子结构是经过“特意”简化的。目的其实是为了方便教学。真实的原子模型是和上图中的模型截然不同的。在经过几代物理学家的努力,原子模型发生了好几次迭代。

如今,最为主流的原子模型更接近于下面这样。

我来给你稍加解释一下:这个模型与初高中所需学的模型之间的区别在哪?

首先,这个模型的比例是和初高中所学的不同。这里的原子核极其小,如果原子有足球场那么大,那原子核最多也就是一根头发丝粗细的水平。虽然如此,但原子核的质量占据了整个原子总质量的99.99%以上。除此之外,电子不存在轨道,而是呈现概率云的形式。那为什么会是这样的呢?

上世纪20年代,科学家发现微观世界和宏观世界是很不同的。你在观测一个电子时,你很难同时获得电子的“位置信息”和“动量信息”。他们发现,只要测准了“位置信息”,再测“动量信息”就不准了,反之亦然。这是因为,观测本身就会影响到微观粒子的运动状态。基于这个原因,物理学家海森堡提出了著名的不确定性原理。

但是,在研究原子模型的过程中,科学家一直备受一个问题的困扰。上文我们也提到了,电子是带负电的,而质子是带正电。我们都知道,同种电荷相斥,异种电荷想吸引。那问题就来了,为什么电子不会坠入到原子核中?

为什么电子不会坠入到原子核中?

这里其实就涉及到了物理学中非常基础的定律,这就是能量最低原理。这个定理告诉我们:

所有的能量都是由高处流向低处。

那这个和电子不会坠入原子核有什么关系呢?

这就需要引入另外一个至关重要的物理学认知,这也就是爱因斯坦在1905年提出的质能等价。如果要问在整个科学史上最出名的方程是哪个?

那一定就是质能方程,也就是E=mc^2。其中E代表能量m代表质量

爱因斯坦在《质能等价》的论文中,开头就写到:

若一个物体以辐射形式发射能量L,它的质量减少L/c²。

也就是说,爱因斯坦把质量和能量统一了起来,它们是一个物体的两个面。质量里还有能量,能量里还有质量。在科学界还有一种观念,它们认为:物质实际上是能量极度压缩的状态。或者说,世界其实是能量的。

于是,我们就会知道,任何的物体,只要有质量,它就蕴含着mc^2的能量。

了解了这些,我们就会知道,电子,质子,中子都可以通过质能方程计算出它们所对应的能量。

当一个电子坠入到原子核后,照理说,电子应该会和质子会发生反应,生成一个中子和中微子。而电子不会坠入原子核内的一个很重要的原因,其实是这个反应不会自发进行。

这里核心的原因就在:“电子能量”+“质子能量”<“中子能量”+“中微子能量”

所以,要使得反应进行,就需要输入大量的能量才行。具体来说是这样的,我们可以通过查表来获取到中子、电子、质子的能量,如下:

  • 中子:939.565 MeV
  • 电子:0.510 MeV
  • 质子:938.272 MeV

这里补充一点,中微子的质量如今也没有测到准确值,但我们知道的是它的质量微乎其微,最低的上限在0.12 eV至0.25 eV之间,这和电子质量都差了好几个数量级,更不要说和质子、中子相比了。所以,我们可以忽略掉中微子的存在,因为它不会影响最终的结果。

我们通过把电子和质子的能量加和,就得938.782 MeV。这个能量是要小于质子的939.565 MeV。所以根据能量最低原理,能量要从高处流向低处,因此,电子和质子的反应,在不输入能量的情况下,是不会发生的。这才确保了电子不会坠入到原子核中。

从上文中,我们知道,中子的能量要大于电子和质子的能量,所以,中子和中微子是有可能发生反应,生成电子和质子的。事实也确实如此,这个反应被我们称为β衰变

没有被约束在原子核的自由中子,在自然条件大概15分钟就会发生β衰变。而在原子核中的中子发生β衰变就困难许多。

泡利不相容原理

当然,实际上,如果我们真的去压缩电子,要把它们压入到原子核中。你会发现,即使你补齐了反应所需要的能量,反应也不会发生。那这是为什么呢?

其实,除了质量最低原理,实际上还存在着泡利不相容原理。这个理论告诉我们:

两个全同的费米子不能处于相同的量子态。

那这到底啥意思呢?

具体来说就是,在微观粒子中分为两类,一类叫做玻色子,一类叫费米子。玻色子是“群居”,但费米子其实是“独居”。那这要咋理解呢?电子是典型的费米子,我们就以“电子为例”。

泡利就发现原子核外的电子其实不是乱来的,它们其实是一个萝卜一个坑,每个电子都有属于自己的独一无二“量子态”,这就导致它们好像在排排坐做一样。如果你对其施加压力,这时候这种量子效应就会产生对外抵抗的“力”,以此来抵抗压力,同时电子也不至于就在这个压力下坠入到原子核内,这个“力”也被称为简并态压力

这种现象其实并不常见,但是在天文学中却是很常见的。类似于太阳这样的恒星,如果演化到生命尽头,就会形成一颗白矮星。白矮星其实就是电子处于简并态,简并态压力对抗住了自身的引力作用。

但是宇宙之大,无奇不有。在宇宙中,质量要比太阳多一些的恒星,在演化晚期会形成中子星。中子星就属于电子的简并态压力没有阻挡住引力,导致电子被压入了原子核中,电子和质子反应生成中子和中微子。中微子由于质量很小,会在形成过程中逃离。最终,这颗恒星就会成为绝大部分都是中子构成的致密天体。

总结

通过上文的讲述,我们知道,由于质子和电子的能量之和小于中子的能量只和,根据能量最低原理,所以电子不会自发地坠入到原子核中和质子发生反应。同时根据泡利不相容原理,即使我们输入缺失的这部分能量,反应也没有办法进行,这是由于电子的简并态压力造成的。

关于电子为什么不会坠入原子核中,我们就说到这里。

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