确实,根据同性相斥异性相吸的原理,电子应该会坠落到原子核上才对,但现实中并没有发生这种事情,原子的结构是很稳定的,原子也是万物存在的基本单元之一,如果电子很容易就坠落到原子核上,万物就不可能存在了。

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其实对于原子内部的真实结构,以及电子和原子核之间的关系,科学家们也是走了很长一段路才逐渐弄清楚的,这里就长话短说,尽可能通俗地告诉大家。

在20世纪之前,由于当时科学家们并不是深入观测到原子的内部结构,一度认为原子的结构应该是和太阳系的结构很类似,原子核就相当于我们的太阳,而电子就相当于地球那样围绕着原子核运转。

这就是传说中的“行星模型”,电子均匀地分布在原子核周围。

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但是这个模型与当时麦克斯韦提出的电磁理论相悖,根据电磁理论,电子在原子核周围运行时,会一直向外辐射电磁波,会损失能量,所以运行轨道会越来越低,越来越靠近原子核,最终坠落到原子核上。

后来,著名物理学家波尔提出了一种新的模型。他认为电子都在固定的轨道上运行,通常情况下不会向外辐射电磁波。只有受到外界能量干扰发生跃迁的时候,才会辐射电磁波,这就是电子跃迁。

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值得一提的是,电子跃迁辐射的能量并不是连续的,而是一份一份的,必须是最小能量单位的整数倍,也就是光量子的整数倍。同时,电子不仅仅能辐射能量,还能吸收能量发生跃迁,跃迁到高能级轨道,而向外辐射能量就会跃迁到低能级轨道,也就是基态。

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不过波尔提出的这种模型在轻元素中比较适用,比如说轻元素,对于质量较大的元素就不再适用了,误差会很大。

在波尔新模型的基础上,波尔的一个学生海森堡更进一步,提出了著名的不确定性原理。该原理认为,电子并没有固定的轨道,它的位置是随机的,我们并不知道电子会出现在哪个位置,只能预测电子在某个位置的概率,电子就像一团随机的云雾那样出现在原子核周围,也被称为“电子云”。

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不确定性原理还表明,我们无法同时获得电子的位置和速度,因为电子的位置不确定性与速度不确定性的乘积必须不小于一个常数,如果电子的位置确定了,意味着电子的不确定性就是零,显然这违背了不确定性原理。

那么,电子真的无法坠落到原子核上吗?

并不是的,只是说一般情况下电子是不会坠落到原子核上的,不过某些特殊情况下,电子还是可以坠落到原子核上的,只是通常需要极大的能量才可以。

为什么会需要极大的能量呢?

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因为泡利不相容原理的存在。何为泡利不相容原理?简单讲,讲个属性相同的费米子,也就是基本粒子,不能拥有相同的量子态。

比如说,电子就是费米子,两个电子的自旋方向不但要相反,而且不能有其他电子与这两个电子位于同一轨道上。如果有原子内部有更多的电子,这些电子就必须在不同的轨道上,也就是不同的量子态。不同的量子态之间会存在着一种力量,也就是电子简并压,以确保不同的电子不能占据相同的量子态。

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这就像一个房间里只能住一个人,如果有其他人试图来到这个房间里,房间里原有的人就会使劲往外推新来的人,这个推力就是电子简并压。

现实中的很多物体都能被压缩,而电子简并压实际上就是物体被压缩的极限,也确保了电子不会坠落到原子核上。

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但是,如果外部施加的力量足够大,超过了电子简并压,电子也是可以被压缩到原子核上的。而在我们的宇宙里,这种力量也是很常见的,比如说超新星爆发瞬间产生的能量就足以把电子压缩到原子核上。

当电子简并压不能对抗周围的强大力量时,就会坠落到原子核上与质子结合形成中子,这就是中子星诞生的过程,中子星里只有中子,没有了电子。

除了电子简并压,还存在中子简并压,道理是一样的。当中子星诞生之后,中子之间也存在着相互排斥的中子简并压,这种力量比电子简并压更强大。

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如果中子简并压也不能对抗外部强大力量时,就会继续向内坍缩,中子也会被彻底“压扁”,这时候的中子星就会成为另一个诡异天体,那就是黑洞!

最后说点题外话。刚才说了,自然情况下电子是不会和质子结合在一起形成中子的,需要外部能量输入才行。

而根据爱因斯坦的质能方程,能量和质量是统一的整体,这意味着中子的能量其实要高于质子和电子的能量总和的,毕竟质子和电子的结合需要外部能量输入才可以进行。

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这也意味着中子的质量是要高于质子和电子的质量总和的。由于能量总是趋于从高到低,能量更低才会更稳定,这与水势更低更稳定是一个道理。所以,在自然情况下,单个中子都很难长时间存在,都会倾向于变成一个电子和质子,而且15分钟内就能发生,同时释放出能量,这个过程其实就是我们常说的贝塔衰变!