电子为什么不飞向原子核?

光阴的故事梦想家

要是放在一百多年前,题主提出了这个问题,那么题主就可能是量子星空的一颗星星了,可以和波尔薛定谔狄拉克海森堡泡利德布罗意波恩这些星星齐名了,因为这个问题的结论就是量子论的开端。

还是从头说起吧。

最早的原子模型是由道尔顿提出,认为原子就是一个坚硬的小球,而且不可再分,同种元素的原子的性质相同,这个观点基本是由道尔顿想象出来的,但是也非常接近实际情况了,如果不谈物理,只谈化学的话,这个观点到现在为止也可以应用。

不过随着科学的发展,这个观点出现了问题,汤姆逊发现了电子,这就说明原子是可以再分的,那么原子内部是如何构造的呢?汤姆逊提出了枣糕模型或者叫西瓜模型,这个比喻太形象了,只要我们想想吃的枣糕和西瓜就可以大致了解这个模型,看来汤姆逊先生也是个吃货啊。

汤姆逊的枣糕原子模型

大意就是电子均匀地分布在原子内部,就象枣糕上的枣,西瓜中的西瓜籽一样。

不过汤姆逊的学生卢瑟福表示:吾爱吾师,吾更爱真理。对老师的观点提出了异议,这就是著名的α粒子散射试验。

α粒子就是氦原子核,由两个中子和两个质子组成,带正电,质量足够大,速度足够快,这就是探究原子核内部的子弹啊。

卢瑟福用α粒子轰击金箔,依照汤姆逊的理论,原子内部是均匀的,那么穿过原子后的α粒子的偏转角度应该大致相同,就好像对西瓜扫射,这个比喻不太恰当,用机枪扫射一块坚硬的钢板吧,子弹基本上偏转应该差不多,可结果呢?大部分阿尔法粒子几乎不发生偏转,非常少的阿尔法粒子发生了超过90°的偏转,甚至还有的出现了150°的偏转,这意味着什么?

这意味着原子内部大部分空间都是空的,而中间有一个坚硬的核心,穿过空的空间 的粒子没有发生偏转,而碰到核心的粒子出现了大角度偏转。

卢瑟福据此提出了原子行星模型,大意就是原子中电子围绕原子核旋转,电子带负电,原子核带正电,而且原子核极小,但集中了原子的几乎所有质量。

卢瑟福的行星模型

好了,现在我们终于回到了题主的问题。为什么电子不落向原子核呢?又为什么行星不落向恒星呢?

其实这两个问题不用麻烦卢瑟福,伟大的牛顿爵爷就可以回答,因为他们之间的吸引力用来作为向心力维持圆周运动了啊,只不过原子内部是电磁力,行星和恒星之间是万有引力。

至于题主的另一个问题,用电子轰击原子核,这个问题其实卢瑟福早就想到了,所以他用阿尔法粒子去轰击金箔,而不用电子,因为电子质量太小了啊,基本是质子质量的1/1836,即便加速到光速,当然这不可能,也没有多少能量,还是打个比方,一个小孩子用刀可以很轻易地切开西瓜,但是一个大力士用羽毛无论如何也切不开西瓜。

题主的问题说完了,但是对于卢瑟福行星原子模型的质疑还没有结束。

因为原子是会释放光谱的,释放光谱就意味着能量逐步减少,能量逐步减少后,电子的速度就会降低,慢慢地就应该落到原子核上,这个很好理解,我们用绳子栓一个小石块做圆周运动,当我们不用力的时候,小石块就会慢下来,回到圆心,当然不会回到圆心,因为还受到重力作用。

卢瑟福的学生玻尔感到这个历史的重任落到了他的肩上,既然老师可以怼师爷,为什么我不可以怼一怼老师呢?我也是更爱真理啊。

玻尔提出了他的原子模型,大意就是电子在固定的轨道上运行,并不会辐射能量,就是不发射光,但是电子在跃迁到另一个轨道时,才会辐射能量,但是跃迁之后,又继续保持稳定,不再辐射能量,还是用圆周运动做一下比较,当速度和半径同时变化的时候才会发生辐射能量,这就叫跃迁,而且,关键是这个而且,这个跃迁是不连续的,必须是普朗克常数的整数倍,这就是量子论。

玻尔的原子模型

伟大的量子论就此产生,物理学进入了一个新时代。

但是玻尔的模型也有问题,就是只适用于氢原子模型,对于多原子模型并不合适,那怎么办呢?或者说真正的原子模型一个是什么样的呢?真正的原子模型应该是电子云模型,就是电子随机出现,出现在哪里都是一种概率。

电子云模型

不过,这个模型的提出,就该那一群量子力学的星星们登场了,一时间,泡利薛定谔海森堡德布罗意狄拉克波恩康普顿纷纷你方唱罢我登场,天空顿时性格灿烂,当然漫天的星光都挡不住一颗太阳,那颗太阳就是爱因斯坦。

如果题主生在那个年代,又提出了这么伟大的疑问,说不定会在璀璨星空中增加一颗中国星呢。


闲时乱翻书

施郁

(复旦大学物理学系教授)

假设你现在向前面投掷一颗手榴弹,手榴弹向前运动,虽然最后要下落,但是没有直接从你手上向地心方向运动,否则就不是炸敌人,而是将你自己炸死。

这就是为什么行星没有直接向恒星飞去。也就是说,运动的速度不一定要与力的方向一致,因为速度、加速度、力都是既有大小,也有方向的,加速度的方向总是与力的方向一致,也与速度的改变的方向一致,但是可以与速度本身的方向可以不一致。

电子和原子核的运动还有另一层复杂性,它们由量子力学描述。电子在原子核外面是由波函数描述,在能量不变的状态下,波函数也是不变的。这意味这电子在每个位置的出现的概率是不变的。 在这样的状态,电子不会发射电磁波,所以不会因为发射电磁波而消耗能量。解释这个现象是量子论的动机之一。不过,题主的困惑其实还不到这一层,他/她在经典力学的范畴还没懂力与运动的关系。


物理文化与施郁世界线

学过原子结构的人,肯定都会问道这个问题,电子围绕原子核旋转,根据电磁感应原理指出,一个旋转的电荷会释放出电磁辐射,然后逐渐带走电子的动能,最终使电子沿着椭圆路线落入原子核中。但问题是,这个问题的提出,就是基于经典的“行星运行”模式提出的,当然,基于这个模式,人们也提出了几种回答来解释电子为什么不会落地原子核上面。最被常用的回答就是原子核对电子的吸引力和电子的离心力是永远平衡的,导致起一直稳定的运行在特定轨道上。但是现实中,电子和原子核是如此之小,其运动规律已经不能用宏观的经典物理学定律来描述了,而应该用量子力学去解释其运动状态。在微小尺寸下,会发生很多和我们直观相左的物理现象。就像是爱因斯坦提出的在相对论一样,高速运动的物体时间会变慢,这和我们的直观感觉完全相反。

那么根据量子力学理论,电子在原子核外面的运动路线,并不能被我们清楚的测定。在同一时刻,我们只能知道电子的位置或者动量二者其一,所以,用来描述核外面子运动状态的公式就成了波函数,即概率函数。也就是说,电子在原子核外是随机出现在某些地方的,这会儿可能出现在这里,下一刻就可能出现在哪里,并不是我们直观感觉的连续运动,而是以一定的概率出现在原子核周围,所以原子核外的电子是以电子云的形式描述的。既然其不是连续运动的状态,我们就不能用经典的物理学眼光去看待它,也就是说,电子不连续的出现在某处,其不会和原子核产生其它相互作用,也不会释放电磁波,也不会被原子核吸引进去。


PhD肖

探究电子与原子核之间的运动关系,只能用应用于微观领域物理运动的量子力学解释,而不能用宏观范畴的恒星与行星来类比。构成宏观物质的基本粒子(分子,原子),似乎也存在着类似的运动关系。分子与分子之间,虽并不存在正负电荷的吸引力,但在一定的远距离,它们会相互吸引,形成稳定的统一体,正由于如此才形成宏观物质。在一定的短距离范围,它们却会产生极大的排斥力。分子由原子构成,分子与分子之间的最近距离的表面,是原子的电子层,电子层与电子层当然是同电荷相斥的,但原子与原子之间却能相互吸引。由此看出,相斥相吸是微观粒子的基本运动属性,电荷之间的相斥相吸不过是这种基本运动属性的其中一种实现形式而已。夸克不存在电荷,但夸克与夸克之间一样是相斥相吸的。看来这是宇宙造物法则了。


墨倾玉

说白了电子绕核是个简单的问题可为何又被解释的晦涩难懂呢?因为电子本质没认知清楚对电子吸收光子发射光子机理也不清楚,只能用观察现象以偏概全的说明原理,所以经不起追问经不起推敲。目前科学对微观认知不足强行破解也不得要领,主因是微观探测设备水平过低,隧道扫描显微镜很利害了也只能分辩个原子级别,有朝一日能看清电子或许才能彻底解开电子绕核的运动困惑!


绿水青山48936175

电子一直在努力飞向原子核啊。

原子核带正电,电子带负电,所以它们一直都在努力地互相靠近。但是,能量这个东西有个特点,就是总是让物体彼此远离。带有能量的电子,就无法停留在原子核表面。

我们拍皮球就会观察到,球不是落在地面上就不动了,而是会经过动能和势能的一番转换,又弹了起来。直到你不去拍它,势能消耗尽了,皮球才能停下来。

电子也是这样,它每次撞到原子核,都会弹起来,同时以电子跃迁的形式被撞掉一部分能量。把能量消耗光以后,他就贴在原子核上了。不一样的是,皮球是直接撞击地面,而电子是旋转着、倾斜着撞向原子核的。

但是,你我并没有机会看到电子贴在原子核上。原因是周围环境在源源不断地向电子提供能量,使电子永远处在蹦蹦跳跳的过程中,不断地吸收和放出能量,无法停下来。

聪明的科学家总想看到别人看不到的东西,于是设计实验,不给电子补充能量。电子得不到能量补充,就趴到原子核上不动了。这时候整个原子核都变小了。有的物体因此不能维持原来的形状,纷纷解体了。也有的原子核束缚能力较弱,加上有少量外界挤进来的能量,使得物体仍然能够维持形状。这时候的电子变得懒羊羊的,不愿去拦截经过的自由电子,于是这种物体就成超导体了。


民科尖兵

因为质子不想让自己变成不能放电的中子、电子也想继续过着一边放电一边瞎跑的日子,自然就不愿意报团混了。

至于恒星和行星的关系,跟原子还真不是一回事,并不是类似的情况。恒星和行星互相拉住对方狠狠地拽,只不过他们绕行的速度太快,产生的离心力基本与互相拽的力量相当,所以就拽不到一块去;但并不是都拽不到一起去,以前有很多行星或小天体都是这样的,但它们绕行的速度太慢导致离心力小于互相拽的力量,所以它们就投入恒星怀抱了,但那时我们还没出生,所以就没看到。


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