我想大家都對中學學到的原子結構很熟悉，也就是說原子內有個原子核，核外有電子繞著原子核轉，而原子核內還有質子和中子。原子核是帶正電的，而電子是帶負電。

我們都知道同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。原子核和電子是異種電荷，為什麼不會相互吸引？

原子結構的發展

100多年前，這個問題同樣困擾著很多科學家。最早提出原子模型的是湯姆孫，他提出了棗糕模型，在這個模型中：

原子是球形的，正電的物質均勻分佈於球體內，而帶負電的電子一顆一顆地鑲嵌在球面上。

後來，他的學生盧瑟福也提出了一個原子模型，這個模型電子是在原子核核外做圓周運動的，這也被我們稱為行星模型。但這個模型有個致命問題，根據麥克斯韋電磁學理論，電子最後還是要被鑲嵌到原子核上，簡直就是變種的棗糕模型。

再到後來，盧瑟福有個學生叫做波爾，它為了解決這個問題，提出了另外一個原子模型，我們可以叫做太陽系模型。他認為原子內部就像是太陽系一樣，原子核就好比太陽，而電子就像行星一樣，有一個個軌道，它們在軌道上運動。但是這個模型也不行，因為理論雖然漂亮，但是用到氦元素原子時，就不太靈了。

最後，解決問題的是波爾的學生海森堡，他提出了不確定性原理。在這個理論中，電子在原子核外，呈現電子雲的形式。

但問題來了，這樣就真的確保了電子可以不掉落到原子核內麼？

水往低處流

實際上，你聽到這裡，還是覺得不太靠譜了。實際上，還存在著兩個原因。我們先來說的一個，我們都知道，水是往低處流的。這種現象並不是偶然，說白了它是能量最低原理造成的。萬物都是“懶”的，都有個趨勢，從能量高的地方往能量低的地方去。那這和這個問題有什麼關係呢？

如果電子掉落到原子核內，電子會和質子反應，生成一箇中子。（這個過程還會中微子的出現，不過由於中微子質量特別特別小，不影響最終結果，因此，我們就不把它算在內）

那問題來了，這個反應能自發進行麼？

實際上並不能，核心原理就在於

“電子+質子的總能量”＜“中子的能量”

可能你要問了，它們不都是是物質粒子麼？為什麼還會有能量這說法？

這就要說到愛因斯坦的質能等價了，這個理論告訴我們一個道理，那就是質量和能量其實是一個東西的兩個體現，質量裡是有能量的，能量裡是有質量的。它們是相互對應的關係，具體的對應就是E=mc^2。因此，我們可以得到微觀粒子的能量。

• 電子的能量是：0.510 MeV
• 質子的能量是：938.272 MeV
• 中子的能量是：939.565 MeV

因此，電子和質子的總能量就是0.510 MeV+938.272 MeV=938.782 MeV，這個能量要小於中子的能量。因此，電子和質子並沒有辦法自發反應，除非有能量的輸入。

相反，正是由於中子的能量要大於質子和電子的能量，中子在弱相互作用下，是有一定概率發生衰變，成為一個質子和電子的，這就要遠比質子和電子反應生成中子容易的多。

這裡，我們再多補充一句，之所以會這樣中子的質量（能量）要略大於質子質量（能量），更本質的原因在於構成它們的夸克的種類不一樣。

• 質子是由2個上夸克、1個下夸克構成的；
• 中子是由1個上夸克、2個下夸克構成的。

而下夸克的質量是不同於上夸克的，這才導致了質子和中子的質量有些許不同。（下表中，每個格子的左上角第一行就是質量欄）

泡利不相容原理

除了上文說到的問題之外，還存在一個阻攔電子進入原子核的關卡，我們可以理解成一種規則，這個規則就叫做泡利不相容原理。

這就是科學家泡利通過分析實驗結果得到的一個理論，具體的表述是，

兩個全同的費米子不能處於相同的量子態。（常見的費米子就有電子和夸克）

下圖中，左側這三列內的粒子就是費米子。（當然，還不止這些，像質子和中子也是費米子。）

這定義看起來很唬人，不過你可以大致理解成電子也是需要排座次的，也講究先來後到，相同狀態的電子不能有第二個一摸一樣的。這就導致，電子在原子核外要好好排排坐，能都往靠近原子核的方向去擠。

於是，由於泡利不相容原理的存在，就會產生一種量子效應，叫做電子簡併態，它們會產生向外的壓力，來抵抗把電子往原子核內壓的力。

在宇宙中有一種恐怖的天體叫做中子星，它們就是因為電子簡併態沒有扛住自身的引力，所以，電子就被壓到了原子核內。但是中子也有簡併態，中子的簡併態抵抗住了自身引力。但更為恐怖的黑洞，就是連中子的簡併態都沒抵抗住自身引力。

最後我們來總結一下，電子和質子的總能量要小於中子的能量，根據能量最低原理，電子和質子不能自發的發生反應。同時，又因為電子簡併態的存在，它可以抵抗外來的壓力把電子壓入原子核內。這是由於兩個原因，保證了電子不會掉入到原子核內。