1. 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
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)與輻射有這密切關系,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
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!
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!
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么認為的。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。
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並壓就行了。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並壓,但是友情提示最好物理基礎知識比較扎實。
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准確,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准確,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布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。