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核外電子為什麼不會落原子核

生活 更新时间:2025-01-13 02:50:26

這個問題其實不太嚴謹,并不是說電子一定不會墜落到原子核上,而是正常情況下,電子是不會墜落到原子核上的,否則原子也太不穩定了。不過如果條件合适的話,電子也是可以墜落到原子核上的,但需要很大的能量輸入才行。

下面通俗地講解一下為什麼會這樣。

首先來說說科學家們研究的原子模型,其中盧瑟福的“行星模型”很具有代表性,他通過α粒子散射實驗表明原子内部大部分空間都是空的,原子核在中心隻占了很少一部分,而更小的電子圍繞原子核旋轉,就像地球圍繞太陽旋轉那樣。

核外電子為什麼不會落原子核(電子帶負電原子核帶正電)1

不過根據麥克斯韋的電磁學理論,電子在運動的過程中會不斷釋放電磁波,進而損失能量,軌道就會變得越來越低,最終墜落到原子核上,但事實上這并沒有發生。

之後盧瑟福的學生,波爾提出了新的原子模型:電子都擁有自己固定的軌道,多數時候是不會輻射電磁波的,隻有發生電子躍遷時,才會輻射電磁波(或者吸收電磁波),這樣電子就能保持穩定運行。而且電子躍遷的能量并不是連續的,必須是一份一份的。

核外電子為什麼不會落原子核(電子帶負電原子核帶正電)2

不過波爾的電子躍遷理論也有缺陷,運用在氫原子還可以,當元素越來越大,誤差就會變得非常離譜了。

接下來波爾的學生海森堡登場了,他提出了著名的不确定性原理:電子并沒有固定的軌道,它的位置是随機的,隻能用概率來描述,這也是電子雲的由來。

核外電子為什麼不會落原子核(電子帶負電原子核帶正電)3

不确定性原理表明,我們無法同時測量電子準确的位置和速度,觀測行為也會影響到電子的狀态。

再後來,著名物理學家泡利提出了泡利不相容原理:兩個相同的費米子(也就是基本粒子,比如電子就是費米子)不能處于相同的量子狀态,通俗理解就是相同位置。

核外電子為什麼不會落原子核(電子帶負電原子核帶正電)4

泡利不相容原理表明,存在着一種叫做電子簡并壓的力量,這種力量可以确保兩個電子不同同時處于相同的量子狀态,也就是相同的軌道,每個軌道上的電子數量不能超過兩個,這樣也就能确保電子不會墜落到原子核上。

核外電子為什麼不會落原子核(電子帶負電原子核帶正電)5

通常來講,電子簡并壓是物體可以被壓縮的極限。不過這種極限在一些特殊情況下也是可以被打破的,比如說超新星爆發。

超新星爆發的能量是巨大的,大到足以打破電子簡并壓的極限,讓電子墜落到原子核上與質子結合形成中子,這也是中子星的由來,如果能量更大,甚至可能形成黑洞!

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