03.03 電子帶負電荷,原子帶正電荷,為什麼電子不會掉入原子核中?

講科學堂


這其實是一個極其複雜的問題。直接給出答案,電子是可以墜入原子核的,但是需要外界的能量輸入。

原子模型

其實19世紀末到20世紀初,很多科學家也都認為電子應該會掉入到原子核內。這當中就包括大名鼎鼎的湯姆遜,盧瑟福。他們之所以有這樣的想法,其實和當時的電磁學理論有關。麥克斯韋提出麥克斯韋方程,統一了”電“和”磁“,預言了電磁波的存在。而赫茲用實驗證明了電磁波的存在。

而根據麥克斯韋的電磁學理論,電子應該是不斷地釋放電磁波,損失能量,然後軌道越來越低,最後墜入原子核中。

因此,當時的湯姆遜就認為原子的模型應該像棗糕一樣,上面鑲嵌電子。在這個模型中,電子是均勻地分佈在原子內部的。

盧瑟福是湯姆遜的學生,他想要證明自己老師的觀點,於是就做了那個著名的α粒子散射實驗。α粒子其實就是氦核,氦核當中有兩個中子和質子,他用氦核當作子彈去轟擊金箔,以此來研究原子核內部的情況。

按照湯姆遜的棗糕模型,原子的內部應該是均勻的,所以,α粒子穿過時,發生偏轉的角度應該都差不多。可結果呢?

絕大部分的α粒子都穿了過去,只有極其少量的發生偏轉,而且偏轉角度都很大。這就說明原子內部大部分是空心的,原子核其實很小,α粒子是撞到了原子核後,才有那麼大的偏轉角度。於是,盧瑟福提出了他的原子模型:行星模型

這個模型其實核我們上初中時學的原子模型很像,電子在原子核外繞著轉,原子核很小,但原子的質量幾乎都集中在原子核上。但是這個模型一被提出來,就遭到了很多科學家吐槽。因此,根據麥克斯韋的電磁理論,電子還是最終要墜入原子核,變成棗糕模型的。

後來,盧瑟福有個學生叫做波爾,他提出了一個新的原子模型。這個模型告訴我們,電子是由自己的固定軌道的,一般來說並不會向外輻射電磁波。只有當發生躍遷時,才會輻射電磁波,以此來保持穩定。這裡要補充一句,躍遷輻射的能量並不是連續的,而是一份份的。

波爾的模型其實和我們的太陽系很像,所以當時的科學家其實還蠻喜歡這個模型的。可是波爾的模型運用到氫原子還行,元素序數越大,誤差就大得離譜。

後來,波爾有個學生叫做海森堡,他提出了著名的不確定性原理,他認為電子並不像波爾說的那樣,有軌道,而是應該用電子雲來描述,電子的位置時隨機的,就連電子自己都不知道。我們只能用概率來描述。

不確定性原理還告訴我們,電子的位置和動量是無法同時測得,觀測本身也會影響電子的運動情況。

後來,泡利提出了著名的泡利不相容原理,他認為兩個完全相同的費米子(電子就是一種費米子)不可能處於相同的量子態。換句話說就是處於同一原子軌域的兩個電子必定擁有相反的自旋方向。泡利不相容原理的出現,使得我們可以從量子論的角度去解釋元素週期律。

電子其實可以墜入原子核

也讓我們明白,為什麼原子的第一個軌道只有2個電子,到了氦就要換行。根據泡利不相容原理和海森堡的不確定性原理,我們可以得出,存在一種電子簡併力,確保兩個電子不能同時佔據相同的量子態,說白了就是不能讓每個軌道的電子超過兩個,電子簡併力可以說就是物質能夠被壓縮的極限。這也是確保了電子不會墜入原子核內的力。不過,如果是在大型天體發生超新星爆炸之後。

這之後,可能會出現兩種情況,一種是中子星,一種是黑洞。

如果電子簡併力都無法對抗自身的引力,因此電子墜入了原子核內部,這個時候,原子核內的質子變成中子跟電子中微子,這就成了一顆中子星。

這些其實是從海森堡的不確定性原理和泡利不相容原理的角度出發,得到的結論,而實際的觀測結果也確實符合理論。

從能量的角度

但其實,我們還可以再深入一點,去思考中子,質子,電子之間的關係。其實中子和質子並不是基本粒子,因為它們理論上是可以再分的,它們都是由三個夸克構成的。

但是構成中子和質子的夸克不太相同,這就使得中子的質量和質子的質量是不同的。

根據愛因斯坦的相對論,質量和能量是可以被統一起來看的,這就意味著中子的能量是要高於質子的能量。不僅如此,即使是加上電子的質量。中子的質量也要高於質子和電子質量的總和,也就是說,中子的能量是要高於質子和電子的能量總和。要知道能量都是由一個從高往低的趨勢,這就好比水往低處流是一個道理。因此,在自然條件下,單獨的一箇中子,在15分鐘左右就會變成一個質子和一個電子,並放出能量。

即使是在原子核內,也會發生類似的現象,也就是我們常說的衰變。

也就是說,在自然條件下,一個質子和一個電子是沒辦法變成一箇中子的,除非由能量的輸入才有可能實現


鍾銘聊科學


電子帶負電荷,原子帶正電荷,為什麼電子不會掉入原子核中?

這可能是很多朋友搞不清楚的問題!按一般意義上理解,正負電荷會互相吸引之後逐漸靠攏,並最終合為一體,無論是引力還是電磁力或者弱力與強力,都是這個結果!而正負電荷屬於電磁力,為什麼電子還有自己的獨特的軌道?為什麼還沒有墜入原子核?

我們先簡單介紹下原子的模型,現代原子模型是薛定諤的量子力學即電子雲模型,原子核在中心,而電子則以電子概率雲模式出現在原子核周圍!而電子的軌道描述的只是電子並不是隨機出現的,而是在它的軌道上(能級)上隨機出現!

一、電子為什麼會以軌道的概率雲模式出現?

其實要解釋清楚這個問題必須要引入另一位大神普朗克,因為他在研究黑體輻射時引入了量子的概念,他認為能量都是一份份出現的!引入這個概念後完美的解決了紫外災變,即在計算黑體輻射強度時用到的瑞利-金斯定律在輻射頻率趨向無窮大時計算結果和實驗數據大相徑庭的有趣結果!這個結果告訴我們,能量並不是連續的!

而我們生活中的大部分能量來源或者媒介主要就是電子的電磁輻射,電子的能級(軌道)與輻射有這密切關係,輻射後的電子會跌落到能級比較低的軌道,因此這最小的一份份就決定了電子能級的軌道是突變的,而無法做一個連續的軌道能級升遷!

而電子的另一個特性則是動量位置與動量時間是無法同時確定的,這早已有海森堡不確定性原理為之背書,當然沒法告訴各位這是為什麼,量子世界有其獨特的運行規則,就像真空中的光速為什麼是299792458米/秒一樣!

二、為什麼電子不會被原子核吸引?

要解釋這個問題得引入兩個概念

1、海森堡不確定性原理

2、泡利不相容原理

  • 海森堡不確定性原理上文已經有簡單說明,這是量子世界遵循的第一定律,因此電子的運行首先受到此定律影響,它不可能在無限靠近原子核的位置運行,因為越靠近,那麼它的位置和速度就會可能會被同時確定!

  • 而另一個泡利不相容原理則是不能有兩個或兩個以上的粒子處於完全相同的狀態,當電子無限靠近原子核時,就會出現這種狀態!

從這兩個原理來說,電子靠近原子核需要有強大的能量或者壓力支撐,因為不確定性原理與泡利不相容原理,使得看起來電子是墜入原子核,但其實卻是爬上一座難以逾越的高山!

三、電子可以“墜入”原子核嗎?

當然可以,白矮星物質的狀態就是電子留在原子核外的最後倩影!因為再往前一步就是電子墜入原子核成與原子核中的質子中和成了中子,此時不再有電子,也不再有質子,有的只是被中微子帶走的能量和留下的中子!

只有有足夠大的引力,啥事不會發生呢?甚至一直可以坍縮到黑洞!


星辰大海路上的種花家


這個問題確實是沒有系統學習量子力學之前很困惑的一點。我們就簡單的來說下吧!

為什麼會認為電子會掉入原子核?

其實這個問題不僅僅是題主困惑,連一百多年前的物理學家就是這麼認為的。著名的原子模型棗糕模型就是這樣。

盧瑟福的散射實驗證明原子裡面其實絕大多數地方都是空的。電子離原子核挺遠。人們才開始意識到電子不會墜入原子核!


但為什麼呢?因為經典電磁學理論告訴我們帶電粒子有加速度時會釋放出電磁波。那麼在電子不斷地釋放出電磁波,必然會不斷地損失能量,使得軌道越來越低,直到掉入原子核呀?

按照這個理論想,還確實是一回事。但是正是這些用經典理論無法解釋的現象才促使物理新大門的打開。

其實量子力學告訴我們:原子並不能像宏觀物體一樣可以釋放任意小份的電磁能量。原子能夠釋放的能量是分立的一些值,這叫能量量子化。電子只能處在一些特定的“能級”上。所以哪怕電子帶電且做著加速運動,如果將要釋放的電磁能量的值不是正好等於兩個能級的能量差的話,這個電磁輻射就會被禁止。所以電子可以在離原子核較遠的軌道穩定運動。

真的無法掉下去嗎?

看完前面你應該會想原來如此,但是我想說:稍等稍等,我要裝逼了!!!

量子力學解釋了為什麼電子不會掉進原子核中,但是它也告訴我們事實無絕對,電子也可以掉入原子核中(除過中子星巨大引力的那種情況),只要超過相對論電子簡併壓就行了。掉進去碰上質子變成中子跟電子中微子。

如果有興趣的話可以去了解下電子簡併壓,但是友情提示最好物理基礎知識比較紮實。


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科學認識論


答案:這是微觀世界規律決定的,不能用經典力學去思考這個問題。

電子帶負電,原子核帶正電,看似異性相吸,但其中存在許多限制條件。

根據海森堡測不準原理,微觀粒子的位置和動量無法同時確定,其中一個數據測得越準確,另一個數據就越不準。一般來說,電子在其能運行的軌道上,離原子核越近它的運行速度就越快,如果電子墜入原子核中,那麼它的動量和位置,這兩個數據都可以測得更準確,這違反了量子力學的基本規律。

微觀粒子需要遵循不確定性不等式:ΔxΔp≥h/4π ,其中h是普朗克常量,Δx是粒子位置的不確定量,Δp是粒子動量的不確定量,使用時通常只在數量級上計算,作定性說明。

為什麼要遵循這個規律?因為在微觀世界中觀察和計算到的結果就是這樣的,無法解釋原因,只能說清現象。

其次,電子的運行規律也會阻礙它墜入原子核中。

電子真實的存在狀態,並非初高中教科書上看到的電子運動模型,電子是以概率雲的形式分佈在它所能存在的能級軌道上,就是在特定的軌道上會隨機出現。

如果電子位於外層的高能級軌道,它想到內層的低能級軌道,需要向外輻射電磁波釋放能量才行,但這個能量並非任意值,只有輻射的能量剛好等於軌道的低能差,電子才有可能向內層躍遷。

否則,即便電子在高能級軌道做加速運動,也無法輻射出電磁波,這就是電子可以在高能級軌道穩定運行的原因,也是它為什麼不會墜入原子核的原因。

實際上,電子也並非不會墜入原子核,只不過需要有額外的能量,這又牽扯到泡利不相容原理。泡利不相容原理指的是:費米子組成的體系中,不允許有兩個或以上的粒子處於完全相同的狀態,粒子迫近就會產生一種壓力來抵抗引力,電子簡併壓就產生了。

當引力超過電子簡併壓時,電子會被吸入原子核中,最後變成中子和中微子,中子星就是這麼形成的,而中子星沒有進一步演化,則是由於中子簡併壓的頑強抵抗。

微觀世界對電子進行層層保護,防止它墜入原子核中,如果沒有這些機制存在,世界也就不會存在。

科學薛定諤的貓


這個問題可以有很多種解釋,其中行星模型再結合量子力學的電子概率雲模型就可以很好地解釋了。但是今天我們再討論一種新穎的解釋方法:核力



我們都知道,原子核中的中子和質子之所以可以穩定地結合在一起而沒有分開,就是因為核力的存在。核力它是一種短程力,屬於強相互作用力,比引力要強10^35倍以上,比庫倫力也強的多。它的作用範圍僅在約1.5*10^-15m內。核力在大於0.8*10^-15m時表現為吸引力,且隨距離增大而減小,超過1.5*10^-15m時,核力急速下降幾乎消失;而在距離小於0.8*10^-15m時,核力表現為斥力。核力與電荷屬性無關、且存在飽和性。



知道了核力的性質,我們就討論一下電子為何不掉入原子核中。因為電子雖然具有一定的動能,但是這種動能還是太小,即便是加上電子和質子之間的庫侖力,都不足以克服核力能壘使電子進入原子核。當然,如果壓力足夠大,比如超新星爆炸時,核心的巨大壓力就可以給電子足夠的力克服核力能壘,從而直接把電子壓入原子核然後再和質子結合形成中子。



但是,在我們正常的物質組成中,我們根本就無法給出如此大的壓力,故而電子也沒有足夠能量克服核力能壘進入原子核。


科學探秘頻道


為什麼物質不能夠坍塌到一點,是因為,任何系統的核存在的內場位勢能遠大於外場位勢能,處外場的粒子即便是將全部外場位勢能轉變成入侵內場的能量不足以侵λ系統的內場,這是為什麼一切外場粒子不能入侵系統內核的本質!至於其他的解釋都是表象的,內因為內場位勢能太高!



石鼎文


答:因為在量子力學中,能量是一份一份的,這個條件限制了電子圍繞原子核運動的軌道,使得一般情況下電子不會墜入原子核。


原子的經典模型

1897年湯姆生髮現電子,經典物理學對原子的模型,就是電子圍繞原子核運行,電子帶負電,原子核帶正電,由庫侖力提供向心力。

根據經典力學的描述,電子繞核做圓周運動,就會對外產生電磁輻射,使得電子損失能量,然後軌道降低,直到墜入原子核,經過計算,該過程幾乎就是瞬間完成的,按照經典力學的模型,原子幾乎不可能穩定存在,這個問題一直困擾著物理學家們。


量子力學的描述

在一百多年前,經典力學的科學家們不止遇到這麼一個棘手的問題,其中德國科學家普朗克,為解決黑體輻射問題提出量子的概念,從此打開了量子力學的大門。

根據量子力學的描述,電子發射的能量是一份一份的,能量不可能無限細分,於是電子圍繞原子核運動,輻射的電磁波(光子)能量是受到限制的,這使得電子只能以特定的軌道圍繞原子核運動,不會墜入原子核。

量子的提出,解決了經典力學的很多問題,也徹底改寫了原子的物理模型,目前量子力學解釋電子繞核運動的是電子雲模型,電子在當前軌道附近出現的概率最大。


電子真的無法墜入原子核嗎?

當然也有特殊情況,由於相對論速度是有限值,當原子所處的能量態很高,超過了電子簡併壓力時,電子也是可以墜入原子核的,此時電子會墜入原子核與質子中和,形成不帶電的中子,並由中微子帶走一部分能量。

這種情況發生在中子星形成時,恆星強大的引力超過了電子簡併壓力,然後由中子簡併壓力抵抗萬有引力,當中子簡併壓力也無法抵抗引力時,中子星會繼續塌縮成夸克星或者黑洞。


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艾伯史密斯


問題應該修正一下“'電子帶負電,原子核帶正電,為什麼電子不會掉入原子核中”。

湯姆遜發現電子之後就在考慮原子的結構問題了。當時知道原子呈電中性,而電子帶負電,則必須有帶正電的“東西”,他根據原子這樣的特點提出“棗糕模型”,即電子像棗子一樣鑲嵌在蛋糕上。

後來,盧瑟福通過著名的“α粒子散射實驗”否定了棗糕模型。盧瑟福提出,原子有一個很小但非常堅硬且帶正電的核,電子繞著這個核圓周運動。盧瑟福提出的模型結構我們稱之為核式結構模型或行星模型。

不過這個模型也經不起推敲,出現瞭解決不了的問題,最重要的一個問題就是“電子災難”。

電子饒原子核圓周運動,按照電磁場理論,電子會不斷向外輻射電磁波,電子的能量會越來越少,最終掉到原子核中,這就是“電子災難”。

玻爾為了解決這個問題,引入量子理論。他認為,電子饒原子核圓周運動的軌道是不連續的,分立的,也就是量子化的,電子在這些軌道上繞核的轉動是穩定的,不產生電磁輻射。

當電子從能量較高的定態軌道(其能量記為Em)躍遷到能量較低的定態軌道(能量記為En,m>n)時,會放出能量為hν的光子(h是普朗克常量)。


大熊高中物理



3級粒子


1.現今我們對原子核與電子的描述,都是給的平面圖形,是一種理想的情形。

2.但是電平衡,是一種事實,否則雜亂無章,怎麼對它進行研究。

3.既然我們稱原子核必將有一個想象的外層包裹,電子又為什麼非要進入核內,豈不是核成了多於無用之物了嗎?

地球對我們有吸引力,我們就應該都地心才對。事實卻不是。

4.科學可以是從假設開始研究的。物理中講質點,是有質量沒有體積,誰能解釋,無稽之談;直線沒有端點,要它有何用。材料是均勻的,我們幾時看到有一種有形的材料,受到破壞力,成為細小的粉末,那麼多細小才算數,也全是無一定論。

5.人類社會的發展,無不是有了意識,開始研究、實驗、總結得到的。

總之,本來模糊的,為什麼刻畫是是非是,做無功之勞呢?!


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