一個科學界頭疼了很久的問題:為什麼電子不會掉進原子核中?

2023-06-02     魅力科學君

原標題:一個科學界頭疼了很久的問題:為什麼電子不會掉進原子核中?

原子是由原子核和電子構成,但問題是,原子核和電子都是帶電粒子,其中原子核帶正電,電子帶負電,在這種情況下,原子核就會對電子產生強大的吸引力,既然如此,那為什麼電子不會掉進原子核中呢?

對於這個問題,或許你會想到地球和太陽,畢竟太陽的引力也會對地球產生強大的吸引作用,但地球卻沒有掉進太陽,為什麼會這樣呢?

這其實可以通過經典物理學來進行解釋,即:地球一直在圍繞著太陽公轉,在此過程中,太陽的引力充當了向心力的「角色」,或者也可以更簡單地說,地球圍繞太陽公轉時會受到「離心力」的作用,這平衡了太陽對地球的吸引力(註:「離心力」是一種虛擬力,它其實是物體慣性的體現)。

看上去,我們似乎只需要將電子比作地球,將原子核比作太陽,就可以簡單解釋為什麼電子不會掉進原子核中了,實際上,科學家也曾經這麼想過,但他們隨後意識到,這種解釋有很大的缺陷。

要知道即使是電子在圍繞著原子核做勻速圓周運動,它的速度方向也一直在變化,也就是說,在這此過程中的電子一直有加速度,而電子是帶電粒子,根據經典電磁理論,任何帶電的物體在具有加速度的情況下都會釋放電磁波,並因此而損失能量。

這就意味著,隨著時間的流逝,電子的能量就會越來越低,它與原子核的距離也會隨之越來越近,並最終掉進原子核中。

於是這就成為了一個科學界頭疼了很久的問題,一直到量子力學出現之後,科學家才找到答案。這具體是怎麼回事呢?我們接著看。

所謂量子,並不是指某種特定的微觀粒子,簡單來講就是,假如有一個物理量存在著最小的、不可分割的基本單位,那麼這個「基本單位」就被稱為量子,而這個物理量就是量子化的。

在量子力學中有一個「海森堡不確定性原理」,該原理由物理學家沃納·卡爾·海森堡(Werner Karl Heisenberg)於1927年提出,其內容簡單地概括為,對於像電子這種微觀粒子來講,我們不能同時確定它們的位置和動量。

這就意味著,原子內部的電子,並不會像「地球圍繞太陽公轉」那樣圍繞著原子核運行,對此我們可以簡單地理解為,在原子的內部,電子的分布是不確定的,我們只能夠通過機率來描述它們出現在某個位置上的可能性。

另一方面來講,由於電子的能量是量子化的,因此它們就不能像我們常見的宏觀物體那樣,可以吸收或釋放任意小份的能量,而只能是一份一份的不連續的值,在這種情況下,電子就只能處於一些特定的能量狀態,這也被稱為「能級」。

對於原子內部的電子來講,它們會自發地向能量更低的狀態躍遷,當從較高的「能級」躍遷到較低的「能級」時,電子會以電磁波的形式釋放出能量。

但假如電子要釋放的能量不是正好與兩個「能級」之間的能量差相等的話,那電子就無法釋放能量了,在這種情況下,即使電子具有加速度,它們也不會釋放出電磁波,而只能在處於當前的「能級」,這就解釋了為什麼電子可以在具有加速度的情況下,可以始終與原子核保持一定的距離。

需要知道的是,電子的「能級」並不是可以無限低的,它有一個能量最低的狀態,我們可以將其稱為「最低能級」,當電子處於這種狀態時,就沒有更低的能量狀態可以躍遷了。

在原子的內部,電子的能量並不是離原子核越近就越低,根據量子力學的具體計算,電子的「最低能級」的能量軌道其實與原子核存在著一定的距離(比如說氫原子中的電子的「最低能級」的能量軌道,就位於其原子核之外大約50皮米的位置)。

綜上所述可知,電子會自發地向能量更低的狀態躍遷,但這個過程有一個終點,那就是「最低能級」,而因為「最低能級」的能量軌道其實是位於原子核之外,所以當電子躍遷到「最低能級」時,就不會自發地繼續向原子核接近了,正因為如此,電子才不會掉進原子核中。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-hk/22065d047ba4b857dd685e5ab16c6215.html