真實的原子模型

相信很多人在上初高中時，都有看到過原子模型，一般來說，這個模型就是一個原子核在中心，外面有電子，電子有相應的軌道。這就好像我們的太陽系一樣，中心有個太陽，外面各個行星在各自軌道上。

然後，老師一般還會說，原子核是帶正電，電子是帶負電的。原子核是由質子和中子構成的，質子帶正電，中子不帶電，因此，原子核才會帶正電。

實際上，初高中老師講授的原子結構是經過“特意”簡化的。目的其實是為了方便教學。真實的原子模型是和上圖中的模型截然不同的。在經過幾代物理學家的努力，原子模型發生了好幾次迭代。

如今，最為主流的原子模型更接近於下面這樣。

我來給你稍加解釋一下：這個模型與初高中所需學的模型之間的區別在哪？

首先，這個模型的比例是和初高中所學的不同。這裡的原子核極其小，如果原子有足球場那麼大，那原子核最多也就是一根頭髮絲粗細的水平。雖然如此，但原子核的質量佔據了整個原子總質量的99.99%以上。除此之外，電子不存在軌道，而是呈現概率雲的形式。那為什麼會是這樣的呢？

上世紀20年代，科學家發現微觀世界和宏觀世界是很不同的。你在觀測一個電子時，你很難同時獲得電子的“位置信息”和“動量信息”。他們發現，只要測準了“位置信息”，再測“動量信息”就不準了，反之亦然。這是因為，觀測本身就會影響到微觀粒子的運動狀態。基於這個原因，物理學家海森堡提出了著名的不確定性原理。

但是，在研究原子模型的過程中，科學家一直備受一個問題的困擾。上文我們也提到了，電子是帶負電的，而質子是帶正電。我們都知道，同種電荷相斥，異種電荷想吸引。那問題就來了，為什麼電子不會墜入到原子核中？

為什麼電子不會墜入到原子核中？

這裡其實就涉及到了物理學中非常基礎的定律，這就是能量最低原理。這個定理告訴我們：

所有的能量都是由高處流向低處。

那這個和電子不會墜入原子核有什麼關係呢？

這就需要引入另外一個至關重要的物理學認知，這也就是愛因斯坦在1905年提出的質能等價。如果要問在整個科學史上最出名的方程是哪個？

那一定就是質能方程，也就是E=mc^2。其中E代表能量，m代表質量。

愛因斯坦在《質能等價》的論文中，開頭就寫到：

若一個物體以輻射形式發射能量L，它的質量減少L/c²。

也就是說，愛因斯坦把質量和能量統一了起來，它們是一個物體的兩個面。質量裡還有能量，能量裡還有質量。在科學界還有一種觀念，它們認為：物質實際上是能量極度壓縮的狀態。或者說，世界其實是能量的。

於是，我們就會知道，任何的物體，只要有質量，它就蘊含著mc^2的能量。

瞭解了這些，我們就會知道，電子，質子，中子都可以通過質能方程計算出它們所對應的能量。

當一個電子墜入到原子核後，照理說，電子應該會和質子會發生反應，生成一箇中子和中微子。而電子不會墜入原子核內的一個很重要的原因，其實是這個反應不會自發進行。

這裡核心的原因就在：“電子能量”+“質子能量”＜“中子能量”+“中微子能量”。

所以，要使得反應進行，就需要輸入大量的能量才行。具體來說是這樣的，我們可以通過查表來獲取到中子、電子、質子的能量，如下：

• 中子：939.565 MeV
• 電子：0.510 MeV
• 質子：938.272 MeV

這裡補充一點，中微子的質量如今也沒有測到準確值，但我們知道的是它的質量微乎其微，最低的上限在0.12 eV至0.25 eV之間，這和電子質量都差了好幾個數量級，更不要說和質子、中子相比了。所以，我們可以忽略掉中微子的存在，因為它不會影響最終的結果。

我們通過把電子和質子的能量加和，就得938.782 MeV。這個能量是要小於質子的939.565 MeV。所以根據能量最低原理，能量要從高處流向低處，因此，電子和質子的反應，在不輸入能量的情況下，是不會發生的。這才確保了電子不會墜入到原子核中。

從上文中，我們知道，中子的能量要大於電子和質子的能量，所以，中子和中微子是有可能發生反應，生成電子和質子的。事實也確實如此，這個反應被我們稱為β衰變。

沒有被約束在原子核的自由中子，在自然條件大概15分鐘就會發生β衰變。而在原子核中的中子發生β衰變就困難許多。

泡利不相容原理

當然，實際上，如果我們真的去壓縮電子，要把它們壓入到原子核中。你會發現，即使你補齊了反應所需要的能量，反應也不會發生。那這是為什麼呢？

其實，除了質量最低原理，實際上還存在著泡利不相容原理。這個理論告訴我們：

兩個全同的費米子不能處於相同的量子態。

那這到底啥意思呢？

具體來說就是，在微觀粒子中分為兩類，一類叫做玻色子，一類叫費米子。玻色子是“群居”，但費米子其實是“獨居”。那這要咋理解呢？電子是典型的費米子，我們就以“電子為例”。

泡利就發現原子核外的電子其實不是亂來的，它們其實是一個蘿蔔一個坑，每個電子都有屬於自己的獨一無二“量子態”，這就導致它們好像在排排坐做一樣。如果你對其施加壓力，這時候這種量子效應就會產生對外抵抗的“力”，以此來抵抗壓力，同時電子也不至於就在這個壓力下墜入到原子核內，這個“力”也被稱為簡併態壓力。

這種現象其實並不常見，但是在天文學中卻是很常見的。類似於太陽這樣的恆星，如果演化到生命盡頭，就會形成一顆白矮星。白矮星其實就是電子處於簡併態，簡併態壓力對抗住了自身的引力作用。

但是宇宙之大，無奇不有。在宇宙中，質量要比太陽多一些的恆星，在演化晚期會形成中子星。

總結

通過上文的講述，我們知道，由於質子和電子的能量之和小於中子的能量只和，根據能量最低原理，所以電子不會自發地墜入到原子核中和質子發生反應。同時根據泡利不相容原理，即使我們輸入缺失的這部分能量，反應也沒有辦法進行，這是由於電子的簡併態壓力造成的。

關於電子為什麼不會墜入原子核中，我們就說到這裡。

閱讀更多 薛定諤的科學 的文章

關鍵字: 原子核 太陽系 電子