宏大磁力锁

ysladmin 6 0

电子为什么不飞向原子核?

电子一直在努力飞向原子核啊。

原子核带正电,电子带负电,所以它们一直都在努力地互相靠近。但是,能量这个东西有个特点,就是总是让物体彼此远离。带有能量的电子,就无法停留在原子核表面。

我们拍皮球就会观察到,球不是落在地面上就不动了,而是会经过动能和势能的一番转换,又弹了起来。直到你不去拍它,势能消耗尽了,皮球才能停下来。

宏大磁力锁-第1张图片-七天装修网
(图片来源网络,侵删)

电子也是这样,它每次撞到原子核,都会弹起来,同时以电子跃迁的形式被撞掉一部分能量。把能量消耗光以后,他就贴在原子核上了。不一样的是,皮球是直接撞击地面,而电子是旋转着、倾斜着撞向原子核的。

但是,你我并没有机会看到电子贴在原子核上。原因是周围环境在源源不断地向电子提供能量,使电子永远处在蹦蹦跳跳的过程中,不断地吸收和放出能量,无法停下来。

聪明的科学家总想看到别人看不到的东西,于是设计实验,不给电子补充能量。电子得不到能量补充,就趴到原子核上不动了。这时候整个原子核都变小了。有的物体因此不能维持原来的形状,纷纷解体了。也有的原子核束缚能力较弱,加上有少量外界挤进来的能量,使得物体仍然能够维持形状。这时候的电子变得懒羊羊的,不愿去拦截经过的自由电子,于是这种物体就成超导体了。

宏大磁力锁-第2张图片-七天装修网
(图片来源网络,侵删)

答:电子是可以飞向原子核与质子中和的,只是一般物质受量子力学约束,电子只能保持在一定轨道上,没有足够能量飞向原子核而已。

在经典的原子模型中,电子围绕原子核绕行,由带负电荷的电子和带正电荷的质子间库仑力提供向心力,但是这个模型有很多缺点。

比如在电磁学中,电子绕核运动会向外辐射电磁波,从而损失能量,使得电子坠入原子核,理论计算整个过程就是一瞬间,原子不可能稳定存在,这显然和事实不相符合。

宏大磁力锁-第3张图片-七天装修网
(图片来源网络,侵删)

在上世纪初,发展起来的量子力学解决了这个问题,量子力学的电子云模型描述,电子并非像行星绕太阳那样围绕原子核运转,而是以一定概率弥漫在原子核周围,并在当前轨道附近出现的概率最大。

原子之所以不坠入原子核,可以由不确定性原理来解释,如果把电子限制在原子核内,那么电子的位置不确定度将会非常小,会造成电子的动量不确定度增大,电子海森堡速度的增大,使得电子能挣脱原子核的束缚。

更加深刻的解释,需要用到泡利不相容原理,比如在白矮星中,由于泡利不相容原理,使得电子不会坠入原子核,由电子简并压力抵抗万有引力(电子简并压力本质上就是泡利不相容原理导致的)。

在原子核周围,电子以电子云的方式,绕着原子核旋转,在固定的时间,电子没有固定的位置。

电子会因为自己得到能量的高低,轨道会发生变化,当能量高,它会跃迁到更外层的轨道,如果没有更多能量,它又会再次跳回更低的轨道,此时,它的能量会以光子的形式发射出来。电子就是以这样的方式周而复始,重复着这样的过程。

世界上所有的辐射,包括我们看到的每一束光,都是电子从高能跃迁到低能状态时,释放出来的辐射形式。

回到题主的问题,电子能落到原子核上,或者直接飞走吗?

都是可以的!

当电子获得极高能量时,电子便会成为自由电子,逃离原子核的束缚。

当压力足够强大,电子也会在原子核引力的作用下,落到原子核中,与原子核里的质子发生电荷的中和,形成不带电的中子,这个过程叫做“电子俘获”,它是一种重要的放射性衰变模式,并伴有大量的能量释放。这个时候,元素也因此衰变为另外一种元素。

中子星正是这样的存在,它的形成过程,正是电子跌落进电子核的过程。

一颗正在燃烧的中子星。

施郁

(复旦大学物理学系教授)

假设你现在向前面投掷一颗手榴弹,手榴弹向前运动,虽然最后要下落,但是没有直接从你手上向地心方向运动,否则就不是炸敌人,而是将你自己炸死。

这就是为什么行星没有直接向恒星飞去。也就是说,运动的速度不一定要与力的方向一致,因为速度、加速度、力都是既有大小,也有方向的,加速度的方向总是与力的方向一致,也与速度的改变的方向一致,但是可以与速度本身的方向可以不一致。

电子和原子核的运动还有另一层复杂性,它们由量子力学描述。电子在原子核外面是由波函数描述,在能量不变的状态下,波函数也是不变的。这意味这电子在每个位置的出现的概率是不变的。 在这样的状态,电子不会发射电磁波,所以不会因为发射电磁波而消耗能量。解释这个现象是量子论的动机之一。不过,题主的困惑其实还不到这一层,他/她在经典力学的范畴还没懂力与运动的关系。

【施郁原创】