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电子为什么不会掉入原子核?电子负电,质子正电,应该会互相吸引

电子为什么不会掉入原子核?电子负电,质子正电,应该会互相吸引
2020年09月01日 10:34 新浪网 作者 街角灯光球场

  中学的时候老师就告诉我们电子围绕着原子核运行,也告诉我们原子核电荷是+,电子电荷是-,也许当时有很多同学都想到了一个问题,正负电荷会在库仑力的作用下相互吸引,最后中和,可能这个念头一闪而过,但肯定有很多朋友提出问题来了,不知道各位的是老师怎么回答的,有没有给出令人信服的答案,我们今天来简短讨论一下!

  

  一、原子模型

  我们现在已经知道原子核周围环绕这一团概率云模式存在的电子,无休无止,除非温度达到绝对零度-273.15℃,但即使如此也仅仅是停止热运动,而在量子物理的视角中,电子的运动永不停息!

  

  1803年时,道尔顿提出了原子是一颗不可分割的实心球理论,他认为这是我们世界中所有物质都是由这种不可分割的小实心球构成!尽管现在看起来似乎有些可笑,但那是现代微观粒子模型的第一步,已经难能可贵了!

  而随后的汤姆逊模型-卢瑟福模型-波尔模型,越来越接近现代原子模型,一直到薛定谔的电子云模型,我们认识的电子清晰的轨道模型到模糊的电子轨道,到最后它的能量和位置不可能同时测定的量子力学模型!

  二、电子的跃迁和泡利不相容原理

  物质种类属性是由原子核中的质子数决定的,但它的部分化学属性却是有其核外电子所决定,不同物质的原子的核外电子分布是不一样的,它们都在不同的轨道上以概率云模式出现,请注意,电子尽管是以概率方式出现,但它只会出现在相应的能级附近!

  而电子获得外界能量输入后,将会跃迁到更高的能级,但这不是它应该呆的地方,以能量最低原理,它会重新跌落到原来的轨道,在这个过程中,电子会释放出光子,这个过程就是我们这个世界中绝大部分能量来源的原理,比如大部分发光发热的行为都是电子的行为导致!

  

  输入不同的能量,电子会释放出不同波长的光子,一直到极高能级的X射线!但在这个过程中,释放光子后的电子会跌落到原来的轨道上!那么这些跌落到一起进入原子核吗?完全不会,因为当前能级即最低能级的电子,它再也无法输出能量跌落到更低的轨道上,如果你想这么做,那么得输入能量!

  

  而泡利不相容原理则从根本上杜绝了这个想法,两个全同的费米子(例如电子,夸克等)是不能处在相同的量子态的。也就是说电子它不可能无限接近,而成为一个位置与动量都可以测定的形态!这种由泡利不相容原理构成的斥力我们将其称为简并力,请注意它并不是我们所熟悉的四大基本力中的任何一种!

  简单的说从电子轨道想原子核运动并不是跌落,而是一种需要极大能量支撑的“爬山”运动,这似乎和我们理解的宏观世界有点不一样?没错,这就是量子力学的世界。

  三、原子核内的世界

  1、质子+电子=中子?其实这个等式不成立哦

  原子核内只有质子和中子,但这两种其实都可以通过电子和另一个途径来得到互相转换!不过这需要有个条件,比如质子获得一个电子会中和成中子,但它的总质量总是大于质子+电子的质量和!

  质子的质量为1.672621637×10^-27千克,

  中子的质量为1.674927211×10^-27千克

  电子的质量为:9.10956×10^-31kg

  1个中子的质量大约是一个质子+2.5个电子的质量,那么请问这多余的1.5个电子的质量来自哪里?幸亏爱因斯坦的质能方程解释了这个问题,否则事情就严重了,因为凭空产生了质量,但事实上并不是!

  

  爱因斯坦的质能方程阐述的核心思想其实并不是质能转换,而是质量只是能量的另一种变现方式,当然能量也是质量的另一种表现方式!在这个中子质量增加这个案例中,是中子内部的束缚夸克的胶子能量增加,最终表现出来的中子整体质量!

  

  上图为标准粒子模型,通过左上角的质量表达式可以计算出夸克的质量为多少,如果您注意这个值那么就会发现组成质子和中子的轻夸克质量很小,但质子和中子的质量却很大,质量来自哪里?就是夸克和夸克之间的结合能!

  因此从这个意义上来理解,质子和电子结合是需要大量的能量的,这个能量最终让中子的质量增加,所以,这个角度上也不能理解电子是坠入质子的,而是需要大量的能量才能让电子爬上质子!

  2、中子的衰变

  脱离了原子和的自由中子是不稳定的,而质子是稳定的粒子,它会跃迁到后者,并释放出能量,这个过程会在15分钟内发生,最终衰变成一个质子、一个电子和一个反中微子,事实上这个过程也会在原子核内不的中子中发生,但时间上会更慢,而且这是一个随机性行为!

  

  三、中子星

  中子星是恒星的其中一个归宿,它的中子成因就是超过钱德拉塞卡极限的内核,引力坍缩时突破了电子简并压将电子压入了质子,与质子中和成了中子!而白矮星则是尚未超过钱德拉塞卡极限的恒星内核引力坍缩和电子简并压处在了某种平衡状态的天体!两者的差异就是外界输入的能量是否足够,在恒星坍缩时这个能量有内核质量的引力坍缩能提供!

  

  中子星和传说中的夸克星,理论上夸克星是存在的,但从未被观测到过!

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