電子為什麼不飛向原子核?

光陰的故事夢想家


這要看是在哪個原子模型裡討論了。

我們先來看盧瑟福的原子行星模型

就是上面這幅圖,很經典吧,這也是咱們中學學的知識。原子內部,中心是原子核,體積很小但質量佔比卻非常大,周圍都是在各個軌道上飛行的電子。很顯然,這和太陽、行星的運行很類似。

那為什麼電子不飛向原子核呢?

很簡單,因為庫侖力都提供為向心力了,所以電子在繞原子核做圓周運動。

再看看量子論的初級版解釋(即玻爾首先提出的觀點)

盧瑟福的模型是有缺陷的,因為電子在作加速運動時勢必釋放電磁波,導致原子系統能量的下降,於是就出現兩個結論:

其發射的光譜應當是連續的;

電子最終會落到原子核上。

但這兩個結論都與實際相違背。

於是玻爾用量子化的思想,假設了三個條件:

①原子只能處於一系列不連續的能量狀態,並且在其中任一狀態下,電子都不會發射或者吸收電磁波。

②再不同狀態之間變化時,都要吸收或者釋放某個頻率的光子

③電子角動量要是某個常數(約化普朗克常量)的整倍數

在此基礎上,利用原先的辦法算出符合條件的電子軌道,發現符合實驗數據。很顯然,這裡的電子也不會落向原子核。

最後再來看看量子力學給出的電子雲模型

原先玻爾給出的理論,對解釋氫原子光譜的問題很成功,但它並不完美(不少其他問題都無法解釋、並且對引入的假設條件沒有嚴謹的解釋)

在用薛定諤方程對這個問題進行解答時,電子就不用在哪哪軌道這個概念了,取而代之的就是空間概率分佈,它能給出電子出現在空間某點的概率,然後發現玻爾算出的各個獨立軌道,都是某些狀態下的概率分佈最大值而已。

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賽先生科普


施鬱

(復旦大學物理學系教授)

假設你現在向前面投擲一顆手榴彈,手榴彈向前運動,雖然最後要下落,但是沒有直接從你手上向地心方向運動,否則就不是炸敵人,而是將你自己炸死。

這就是為什麼行星沒有直接向恆星飛去。也就是說,運動的速度不一定要與力的方向一致,因為速度、加速度、力都是既有大小,也有方向的,加速度的方向總是與力的方向一致,也與速度的改變的方向一致,但是可以與速度本身的方向可以不一致。

電子和原子核的運動還有另一層複雜性,它們由量子力學描述。電子在原子核外面是由波函數描述,在能量不變的狀態下,波函數也是不變的。這意味這電子在每個位置的出現的概率是不變的。 在這樣的狀態,電子不會發射電磁波,所以不會因為發射電磁波而消耗能量。解釋這個現象是量子論的動機之一。不過,題主的困惑其實還不到這一層,他/她在經典力學的範疇還沒懂力與運動的關係。


物理文化與施鬱世界線


要是放在一百多年前,題主提出了這個問題,那麼題主就可能是量子星空的一顆星星了,可以和波爾薛定諤狄拉克海森堡泡利德布羅意波恩這些星星齊名了,因為這個問題的結論就是量子論的開端。

還是從頭說起吧。

最早的原子模型是由道爾頓提出,認為原子就是一個堅硬的小球,而且不可再分,同種元素的原子的性質相同,這個觀點基本是由道爾頓想象出來的,但是也非常接近實際情況了,如果不談物理,只談化學的話,這個觀點到現在為止也可以應用。

不過隨著科學的發展,這個觀點出現了問題,湯姆遜發現了電子,這就說明原子是可以再分的,那麼原子內部是如何構造的呢?湯姆遜提出了棗糕模型或者叫西瓜模型,這個比喻太形象了,只要我們想想吃的棗糕和西瓜就可以大致瞭解這個模型,看來湯姆遜先生也是個吃貨啊。

湯姆遜的棗糕原子模型

大意就是電子均勻地分佈在原子內部,就象棗糕上的棗,西瓜中的西瓜籽一樣。

不過湯姆遜的學生盧瑟福表示:吾愛吾師,吾更愛真理。對老師的觀點提出了異議,這就是著名的α粒子散射試驗。

α粒子就是氦原子核,由兩個中子和兩個質子組成,帶正電,質量足夠大,速度足夠快,這就是探究原子核內部的子彈啊。

盧瑟福用α粒子轟擊金箔,依照湯姆遜的理論,原子內部是均勻的,那麼穿過原子後的α粒子的偏轉角度應該大致相同,就好像對西瓜掃射,這個比喻不太恰當,用機槍掃射一塊堅硬的鋼板吧,子彈基本上偏轉應該差不多,可結果呢?大部分阿爾法粒子幾乎不發生偏轉,非常少的阿爾法粒子發生了超過90°的偏轉,甚至還有的出現了150°的偏轉,這意味著什麼?

這意味著原子內部大部分空間都是空的,而中間有一個堅硬的核心,穿過空的空間 的粒子沒有發生偏轉,而碰到核心的粒子出現了大角度偏轉。

盧瑟福據此提出了原子行星模型,大意就是原子中電子圍繞原子核旋轉,電子帶負電,原子核帶正電,而且原子核極小,但集中了原子的幾乎所有質量。

盧瑟福的行星模型

好了,現在我們終於回到了題主的問題。為什麼電子不落向原子核呢?又為什麼行星不落向恆星呢?

其實這兩個問題不用麻煩盧瑟福,偉大的牛頓爵爺就可以回答,因為他們之間的吸引力用來作為向心力維持圓周運動了啊,只不過原子內部是電磁力,行星和恆星之間是萬有引力。

至於題主的另一個問題,用電子轟擊原子核,這個問題其實盧瑟福早就想到了,所以他用阿爾法粒子去轟擊金箔,而不用電子,因為電子質量太小了啊,基本是質子質量的1/1836,即便加速到光速,當然這不可能,也沒有多少能量,還是打個比方,一個小孩子用刀可以很輕易地切開西瓜,但是一個大力士用羽毛無論如何也切不開西瓜。

題主的問題說完了,但是對於盧瑟福行星原子模型的質疑還沒有結束。

因為原子是會釋放光譜的,釋放光譜就意味著能量逐步減少,能量逐步減少後,電子的速度就會降低,慢慢地就應該落到原子核上,這個很好理解,我們用繩子栓一個小石塊做圓周運動,當我們不用力的時候,小石塊就會慢下來,回到圓心,當然不會回到圓心,因為還受到重力作用。

盧瑟福的學生玻爾感到這個歷史的重任落到了他的肩上,既然老師可以懟師爺,為什麼我不可以懟一懟老師呢?我也是更愛真理啊。

玻爾提出了他的原子模型,大意就是電子在固定的軌道上運行,並不會輻射能量,就是不發射光,但是電子在躍遷到另一個軌道時,才會輻射能量,但是躍遷之後,又繼續保持穩定,不再輻射能量,還是用圓周運動做一下比較,當速度和半徑同時變化的時候才會發生輻射能量,這就叫躍遷,而且,關鍵是這個而且,這個躍遷是不連續的,必須是普朗克常數的整數倍,這就是量子論。

玻爾的原子模型

偉大的量子論就此產生,物理學進入了一個新時代。

但是玻爾的模型也有問題,就是隻適用於氫原子模型,對於多原子模型並不合適,那怎麼辦呢?或者說真正的原子模型一個是什麼樣的呢?真正的原子模型應該是電子雲模型,就是電子隨機出現,出現在哪裡都是一種概率。

電子雲模型

不過,這個模型的提出,就該那一群量子力學的星星們登場了,一時間,泡利薛定諤海森堡德布羅意狄拉克波恩康普頓紛紛你方唱罷我登場,天空頓時性格燦爛,當然漫天的星光都擋不住一顆太陽,那顆太陽就是愛因斯坦。

如果題主生在那個年代,又提出了這麼偉大的疑問,說不定會在璀璨星空中增加一顆中國星呢。


閒時亂翻書


學過原子結構的人,肯定都會問道這個問題,電子圍繞原子核旋轉,根據電磁感應原理指出,一個旋轉的電荷會釋放出電磁輻射,然後逐漸帶走電子的動能,最終使電子沿著橢圓路線落入原子核中。但問題是,這個問題的提出,就是基於經典的“行星運行”模式提出的,當然,基於這個模式,人們也提出了幾種回答來解釋電子為什麼不會落地原子核上面。最被常用的回答就是原子核對電子的吸引力和電子的離心力是永遠平衡的,導致起一直穩定的運行在特定軌道上。但是現實中,電子和原子核是如此之小,其運動規律已經不能用宏觀的經典物理學定律來描述了,而應該用量子力學去解釋其運動狀態。在微小尺寸下,會發生很多和我們直觀相左的物理現象。就像是愛因斯坦提出的在相對論一樣,高速運動的物體時間會變慢,這和我們的直觀感覺完全相反。

那麼根據量子力學理論,電子在原子核外面的運動路線,並不能被我們清楚的測定。在同一時刻,我們只能知道電子的位置或者動量二者其一,所以,用來描述核外面子運動狀態的公式就成了波函數,即概率函數。也就是說,電子在原子核外是隨機出現在某些地方的,這會兒可能出現在這裡,下一刻就可能出現在哪裡,並不是我們直觀感覺的連續運動,而是以一定的概率出現在原子核周圍,所以原子核外的電子是以電子雲的形式描述的。既然其不是連續運動的狀態,我們就不能用經典的物理學眼光去看待它,也就是說,電子不連續的出現在某處,其不會和原子核產生其它相互作用,也不會釋放電磁波,也不會被原子核吸引進去。


科學探秘頻道


電子一直在努力飛向原子核啊。

原子核帶正電,電子帶負電,所以它們一直都在努力地互相靠近。但是,能量這個東西有個特點,就是總是讓物體彼此遠離。帶有能量的電子,就無法停留在原子核表面。

我們拍皮球就會觀察到,球不是落在地面上就不動了,而是會經過動能和勢能的一番轉換,又彈了起來。直到你不去拍它,勢能消耗盡了,皮球才能停下來。

電子也是這樣,它每次撞到原子核,都會彈起來,同時以電子躍遷的形式被撞掉一部分能量。把能量消耗光以後,他就貼在原子核上了。不一樣的是,皮球是直接撞擊地面,而電子是旋轉著、傾斜著撞向原子核的。

但是,你我並沒有機會看到電子貼在原子核上。原因是周圍環境在源源不斷地向電子提供能量,使電子永遠處在蹦蹦跳跳的過程中,不斷地吸收和放出能量,無法停下來。

聰明的科學家總想看到別人看不到的東西,於是設計實驗,不給電子補充能量。電子得不到能量補充,就趴到原子核上不動了。這時候整個原子核都變小了。有的物體因此不能維持原來的形狀,紛紛解體了。也有的原子核束縛能力較弱,加上有少量外界擠進來的能量,使得物體仍然能夠維持形狀。這時候的電子變得懶羊羊的,不願去攔截經過的自由電子,於是這種物體就成超導體了。


民科尖兵


探究電子與原子核之間的運動關係,只能用應用於微觀領域物理運動的量子力學解釋,而不能用宏觀範疇的恆星與行星來類比。構成宏觀物質的基本粒子(分子,原子),似乎也存在著類似的運動關係。分子與分子之間,雖並不存在正負電荷的吸引力,但在一定的遠距離,它們會相互吸引,形成穩定的統一體,正由於如此才形成宏觀物質。在一定的短距離範圍,它們卻會產生極大的排斥力。分子由原子構成,分子與分子之間的最近距離的表面,是原子的電子層,電子層與電子層當然是同電荷相斥的,但原子與原子之間卻能相互吸引。由此看出,相斥相吸是微觀粒子的基本運動屬性,電荷之間的相斥相吸不過是這種基本運動屬性的其中一種實現形式而已。夸克不存在電荷,但夸克與夸克之間一樣是相斥相吸的。看來這是宇宙造物法則了。


墨傾玉


正負粒子組成原子,正負原子組成分子。原子,分子組成世界,說明物質內含正反作用力,故正反作用成就宇宙和生命,行星與恆星之間也存在正反作用力,總之無正反作用力宇宙和生命全無,

按理說原子內電子為負電荷,而質子帶正電菏,按理該吸在一起,但是沒有,按物質之正反兩面性來分析,說明電子還可分,既內含正負粒子,就是說電子內正粒子阻止了電子奔向質子(同性相斥),一個電子內含正電荷較少,而相對負電多,故檢測帶負電性。

同理,太陽有很強正負電性,而地球和同圍行星既帶相對弱的正電性和負電性,加上行星的前運動力,阻止了行星奔向太陽。以上原創理論,引用聲明。


原黃烈平


因為質子不想讓自己變成不能放電的中子、電子也想繼續過著一邊放電一邊瞎跑的日子,自然就不願意報團混了。

至於恆星和行星的關係,跟原子還真不是一回事,並不是類似的情況。恆星和行星互相拉住對方狠狠地拽,只不過他們繞行的速度太快,產生的離心力基本與互相拽的力量相當,所以就拽不到一塊去;但並不是都拽不到一起去,以前有很多行星或小天體都是這樣的,但它們繞行的速度太慢導致離心力小於互相拽的力量,所以它們就投入恆星懷抱了,但那時我們還沒出生,所以就沒看到。


心息相戀


說白了電子繞核是個簡單的問題可為何又被解釋的晦澀難懂呢?因為電子本質沒認知清楚對電子吸收光子發射光子機理也不清楚,只能用觀察現象以偏概全的說明原理,所以經不起追問經不起推敲。目前科學對微觀認知不足強行破解也不得要領,主因是微觀探測設備水平過低,隧道掃描顯微鏡很利害了也只能分辯個原子級別,有朝一日能看清電子或許才能徹底解開電子繞核的運動困惑!


綠水青山48936175


電子和原子核屬於兩種不同尺度存在,雖然電子可以被觀察為物質,但是在原子層面,電子場決定了此原子的性質,它和原子核相互排斥,這個力就是強相互作用,放大之後就是物質之間的吸引力(所謂引力)。


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