由于科普对象的物理学水平参差不齐,所以要想做到让所有人都满意的科普,是不现实的。毕竟每个人的经历和知识储备都不一样,对事物的认知程度也有高有低。

如果非要从专业角度分析,题目中的问题其实是很复杂的,为了这次科普,我曾查阅了很多专业资料,说实话,我自己都看不太懂,毕竟我也不是专业学物理学的,大量的物理学术语和公式让人看到都头大。

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而生活中大多数人也都不是物理学专业的,所以这里尽可能用通俗的语言来诠释问题,尽可能避免晦涩难懂的物理学术语,其实我也不敢用,担心万一用错了误导大家。

首先,从经典物理学角度来讲,电子和原子核都带电,前者带负电后者带正电,按照正负相互吸引的原则,电子和原子核会产生相互吸引的电磁力

可能你会说电子有速度啊,以一定速度围绕原子核旋转,就像地球围绕太阳那样,所以即便有电磁力也不会坠落到原子核。

不过经典电磁理论还告诉我们,带电粒子在高速运动时会向外辐射电磁波,也就是能量。也就是说,电子在运动的过程中会因为不断辐射电磁波而损失能量,结果电子的轨道就会越来越低,最终就会坠落到原子核上。

其实这个问题对于一百多年前的物理学家们,也是难题,他们同样想不通。当时的物理学界认为,原子就像一个枣糕,这就是著名的“枣糕模型”,而电子就像是葡萄干一样镶嵌在枣糕上。

不过后来物理学大佬卢瑟福发现并不是那回事,他通过阿尔法粒子散射实验表明,原子内部并不是实体,绝大部分空间都是虚空。既然是虚空,电子又会不断损失能量,理应该很快坠落到原子核上才对。但现实并非如此,电子并没有坠落到原子核上。

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这种理论与现实的矛盾,让当时的物理学界大佬们都很困惑,很苦恼。直到量子力学的问世,才让物理学家们看到了光明。

量子力学告诉我们,原子与宏观物体的运行规律太不一样了,能量是不连续的,是量子化的,微观粒子释放的能量并不能无限小,而是一份一份的,而每一份都必须是最小能量单位的整数倍,而最小的能量单位就被称为“量子”。

就拿电子来说明,电子只能释放或者吸收量子的整数倍能量,比如说一份量子或者十份量子,但不能释放或者吸收1.5份量子的能量。这就意味着电子最终只能在某些特定的“能级”,并且通过吸收或者释放能量在特定的能级上来回跃迁,也就是“电子跃迁”。

也就是说,电子释放或者吸收的能量必须正好等于两个能级的能量差,才能发生电子跃迁,否则电子跃迁就会被禁止,电磁辐射就会被禁止。这也是为什么电子能在原子核外稳定运行的原因所在。

那么,电子真的就不会坠落到原子核上吗?

当然不是,在某些极端条件下,电子也会坠落到原子核上,当然这个过程需要极大的能量输入,能量大小必须足以对抗电子简并压才行。

何为电子简并压

根据泡利不相容原理,两个相同的半整数倍自旋的粒子,比如说电子或者其他费米子,不能同时占据相同的量子态。如果有外部力量非要强迫电子这么做,就会产生对抗外部能量的强大力量,这就是电子简并压。

科学家们还发现,正是电子简并压力阻止了太阳质量大小的恒星在死亡之后继续向内坍缩,最终只能形成白矮星。

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具体来讲,电子简并压力其实不是某种“力”,而是某种交互相互作用,这种“力”与四大基本作用力有着本质区别。因为电子简并压并不需要任何媒介粒子来传递,而且只会发生在全同粒子之间,本质来讲可以说是一种波函数的干涉效应,并不是什么力。当然这里就不深究了,再深入探索下去我也有点懵。

可以这样形象理解电子简并压,就像分子的热运动一样。我们都知道,当温度升高时,分子的热运动会变得更剧烈,体积自然会变大,之所以会变大,当然不是某种力在起作用,只是分子之间的交互作用导致的。因此,我们可以把电子简并压力通俗理解为“电子热运动”产生的“电子气压”。

再形象点就是,比如说你就喜欢一个人待在一个房间里,任何人想进入你的房间都会让你感到不舒服,于是你就会全力把想进来的人往外推,你的推力就相当于“电子简并压力”!

其实电子简并压一直都存在,只不过通常情况下因为太小了完全可以忽略不计。但是如果电子密度足够高,温度足够低时,就会显现出来,并且占据主导地位。

比如说白矮星内部就是如此,在强大的万有引力作用下,原子外层的电子壳也会被压碎,于是形成了大量自由电子,而原子核就像漂浮在茫茫电子海洋中一样,我们可以把这种情况想象成所有原子核和电子一起形成了一个超大分子。

当物质被压缩到一定程度时,低能级轨道会被电子挤满,根据泡利不相容原理,两个电子不能占据同一个量子态,于是不断靠近的电子就会产生强大的排斥力,也就是电子简并压力,这种力量会阻止白矮星物质继续向内坍缩。

当然,如果恒星的质量足够大,强大的万有引力也会击穿电子简并压,电子就会坠落到原子核上,与质子结合形成中子,这就是中子星。同样地,中子之间也会形成更为强大的中子简并压,阻止中子星物质继续向内坍缩。

而如果恒星质量继续变大,中子简并压也不得不屈服,所有物质无限向内坍缩,最终形成黑洞!

看到这里,相信你已经明白了。不过对于家里的小朋友,比如说刚上初中的小朋友来讲,即便是电磁辐射,中子星,黑洞或者电子简并压这些概念,也可能会让他们摸不着头脑,面对他们的疑问,就必须更形象地来解释了。

直接告诉小朋友电子其实是可以坠落到原子核上的,只不过原子本身很硬,需要用很大力量才行,一般的力量是不够的。

可以拿现实的物质具体解释,比如说水和空气之间的对比。小朋友肯定知道水比空气更硬,我们可以轻松把空气压缩,但很难压缩水,甚至初中物理老师会直接告诉我们水是不能被压缩的。而原子是比水更硬的东西,所以把电子压缩到原子核上会更难。

完!