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這其實是一個極其復(fù)雜的問題。直接給出答案,電子是可以墜入原子核的,但是需要外界的能量輸入。 原子模型 其實19世紀(jì)末到20世紀(jì)初,很多科學(xué)家也都認(rèn)為電子應(yīng)該會掉入到原子核內(nèi)。這當(dāng)中就包括大名鼎鼎的湯姆遜,盧瑟福。他們之所以有這樣的想法,其實和當(dāng)時的電磁學(xué)理論有關(guān)。麥克斯韋提出麥克斯韋方程,統(tǒng)一了”電“和”磁“,預(yù)言了電磁波的存在。而赫茲用實驗證明了電磁波的存在。 而根據(jù)麥克斯韋的電磁學(xué)理論,電子應(yīng)該是不斷地釋放電磁波,損失能量,然后軌道越來越低,最后墜入原子核中。 因此,當(dāng)時的湯姆遜就認(rèn)為原子的模型應(yīng)該像棗糕一樣,上面鑲嵌電子。在這個模型中,電子是均勻地分布在原子內(nèi)部的。 盧瑟福是湯姆遜的學(xué)生,他想要證明自己老師的觀點,于是就做了那個著名的α粒子散射實驗。α粒子其實就是氦核,氦核當(dāng)中有兩個中子和質(zhì)子,他用氦核當(dāng)作子彈去轟擊金箔,以此來研究原子核內(nèi)部的情況。 按照湯姆遜的棗糕模型,原子的內(nèi)部應(yīng)該是均勻的,所以,α粒子穿過時,發(fā)生偏轉(zhuǎn)的角度應(yīng)該都差不多??山Y(jié)果呢? 絕大部分的α粒子都穿了過去,只有極其少量的發(fā)生偏轉(zhuǎn),而且偏轉(zhuǎn)角度都很大。這就說明原子內(nèi)部大部分是空心的,原子核其實很小,α粒子是撞到了原子核后,才有那么大的偏轉(zhuǎn)角度。于是,盧瑟福提出了他的原子模型:行星模型。 這個模型其實核我們上初中時學(xué)的原子模型很像,電子在原子核外繞著轉(zhuǎn),原子核很小,但原子的質(zhì)量幾乎都集中在原子核上。但是這個模型一被提出來,就遭到了很多科學(xué)家吐槽。因此,根據(jù)麥克斯韋的電磁理論,電子還是最終要墜入原子核,變成棗糕模型的。 后來,盧瑟福有個學(xué)生叫做波爾,他提出了一個新的原子模型。這個模型告訴我們,電子是由自己的固定軌道的,一般來說并不會向外輻射電磁波。只有當(dāng)發(fā)生躍遷時,才會輻射電磁波,以此來保持穩(wěn)定。這里要補充一句,躍遷輻射的能量并不是連續(xù)的,而是一份份的。 波爾的模型其實和我們的太陽系很像,所以當(dāng)時的科學(xué)家其實還蠻喜歡這個模型的??墒遣柕哪P瓦\用到氫原子還行,元素序數(shù)越大,誤差就大得離譜。 后來,波爾有個學(xué)生叫做海森堡,他提出了著名的不確定性原理,他認(rèn)為電子并不像波爾說的那樣,有軌道,而是應(yīng)該用電子云來描述,電子的位置時隨機的,就連電子自己都不知道。我們只能用概率來描述。 不確定性原理還告訴我們,電子的位置和動量是無法同時測得,觀測本身也會影響電子的運動情況。 后來,泡利提出了著名的泡利不相容原理,他認(rèn)為兩個完全相同的費米子(電子就是一種費米子)不可能處于相同的量子態(tài)。換句話說就是處于同一原子軌域的兩個電子必定擁有相反的自旋方向。泡利不相容原理的出現(xiàn),使得我們可以從量子論的角度去解釋元素周期律。 電子其實可以墜入原子核 也讓我們明白,為什么原子的第一個軌道只有2個電子,到了氦就要換行。根據(jù)泡利不相容原理和海森堡的不確定性原理,我們可以得出,存在一種電子簡并力,確保兩個電子不能同時占據(jù)相同的量子態(tài),說白了就是不能讓每個軌道的電子超過兩個,電子簡并力可以說就是物質(zhì)能夠被壓縮的極限。這也是確保了電子不會墜入原子核內(nèi)的力。不過,如果是在大型天體發(fā)生超新星爆炸之后。 這之后,可能會出現(xiàn)兩種情況,一種是中子星,一種是黑洞。
如果電子簡并力都無法對抗自身的引力,因此電子墜入了原子核內(nèi)部,這個時候,原子核內(nèi)的質(zhì)子變成中子跟電子中微子,這就成了一顆中子星。 這些其實是從海森堡的不確定性原理和泡利不相容原理的角度出發(fā),得到的結(jié)論,而實際的觀測結(jié)果也確實符合理論。 從能量的角度 但其實,我們還可以再深入一點,去思考中子,質(zhì)子,電子之間的關(guān)系。其實中子和質(zhì)子并不是基本粒子,因為它們理論上是可以再分的,它們都是由三個夸克構(gòu)成的。
但是構(gòu)成中子和質(zhì)子的夸克不太相同,這就使得中子的質(zhì)量和質(zhì)子的質(zhì)量是不同的。
根據(jù)愛因斯坦的相對論,質(zhì)量和能量是可以被統(tǒng)一起來看的,這就意味著中子的能量是要高于質(zhì)子的能量。不僅如此,即使是加上電子的質(zhì)量。中子的質(zhì)量也要高于質(zhì)子和電子質(zhì)量的總和,也就是說,中子的能量是要高于質(zhì)子和電子的能量總和。要知道能量都是由一個從高往低的趨勢,這就好比水往低處流是一個道理。因此,在自然條件下,單獨的一個中子,在15分鐘左右就會變成一個質(zhì)子和一個電子,并放出能量。 即使是在原子核內(nèi),也會發(fā)生類似的現(xiàn)象,也就是我們常說的衰變。
也就是說,在自然條件下,一個質(zhì)子和一個電子是沒辦法變成一個中子的,除非由能量的輸入才有可能實現(xiàn)。 |
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