既然電子帶負(fù)電,原子核帶正電,那為什么電子不會(huì)掉入原子核里?
關(guān)于這個(gè)問(wèn)題,相信大家都會(huì)從宏觀的層面來(lái)思考,比如說(shuō)太陽(yáng)對(duì)地球有著巨大的引力,而地球?yàn)槭裁床粫?huì)掉進(jìn)太陽(yáng)。這個(gè)問(wèn)題很好解釋?zhuān)@是因?yàn)榻莿?dòng)量存在的原因,如果要讓地球掉入太陽(yáng),就必須要讓地球的動(dòng)能減少,或者大幅度降低地球的軌道,顯然這是不大可能的。
那么“為什么電子不會(huì)掉進(jìn)原子核”這個(gè)問(wèn)題也可以這樣解釋嗎?答案是否,因?yàn)殡娮邮菐щ娏W,它在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生電磁輻射,從而降低自身的動(dòng)能,如果電子真的如地球圍繞太陽(yáng)一樣運(yùn)行,那電子將會(huì)因不斷的失去動(dòng)能而掉入原子核里。
事實(shí)上,電子的運(yùn)行軌道與地球完全不同,簡(jiǎn)單的講,就是電子出現(xiàn)在原子核外的地點(diǎn)是隨機(jī)的,不確定的,這一刻它出現(xiàn)在左邊,下一刻它又莫名其妙地出現(xiàn)在右邊,而影響電子運(yùn)行軌道的關(guān)鍵,就是能量。
根據(jù)能量守恒原理,如果某一種能量升高,那么必定伴隨著另外的能量降低,而為了保持能量的平衡,世間萬(wàn)物都會(huì)自發(fā)的趨向于使能量降到最低,這就是“能量最低原理”,意思就是一個(gè)系統(tǒng)的能量越低,它就越穩(wěn)定。
同樣的,原子也會(huì)遵循這一規(guī)律,當(dāng)一個(gè)原子處于最低的能量狀態(tài)時(shí),就被稱(chēng)之為“基態(tài)”,基態(tài)之外被稱(chēng)之為“激發(fā)態(tài)”。為了幫助大家理解,這里舉一個(gè)不恰當(dāng)?shù)睦觼?lái)說(shuō)明,你向天空扔出一塊石頭,這個(gè)時(shí)候石頭就處于“激發(fā)態(tài)”,而當(dāng)這塊石頭落在地面上停止不動(dòng)的時(shí)候,它就處于“基態(tài)”。
我們可以理解為,電子總是趨向于“基態(tài)”的軌道,但在宇宙中,能量的交換是無(wú)處不在的,所以電子可以通過(guò)各種方式來(lái)獲得能量,通常來(lái)講電子獲得的能量越高,它就離原子核越遠(yuǎn),當(dāng)電子獲得了足夠的能量,它就可以?huà)昝撛雍说氖`,變成自由電子。所以通常來(lái)講,電子都不會(huì)運(yùn)行在“基態(tài)”的軌道上。
現(xiàn)在我們可以說(shuō)出這個(gè)問(wèn)題的答案了:處于“基態(tài)”的原子,其電子的運(yùn)行軌道是不在原子核之內(nèi)的,因此電子也就不會(huì)掉入原子核內(nèi)了。但是新的問(wèn)題又來(lái)了,為什么這個(gè)軌道不在原子核內(nèi)呢?在搞懂這個(gè)問(wèn)題之前,我們需要先了解一些其他的知識(shí)。
電子俘獲
其實(shí)在某些特定的條件下(例如外加的壓力以及不穩(wěn)定的原子核等),電子是會(huì)掉入原子核的,當(dāng)一個(gè)電子被原子核俘獲時(shí),該原子的原子核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子將會(huì)與這個(gè)電子轉(zhuǎn)變成一個(gè)中子,與此同時(shí)原子核會(huì)釋放出一個(gè)中微子。一般來(lái)講,原子的序數(shù)越高,越容易發(fā)生電子俘獲。
結(jié)合能
如果一個(gè)物體由多個(gè)部分組成,那么它的各個(gè)組成部分之間就會(huì)存在一種能量,將它們結(jié)合在一起,這種能量就被稱(chēng)之為結(jié)合能。結(jié)合能的大小決定了一個(gè)物體的各組成部分的緊密程度。
中子和質(zhì)子的構(gòu)成
根據(jù)現(xiàn)代粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型,中子和質(zhì)子是由夸克組成,具體為質(zhì)子由兩個(gè)上夸克與一個(gè)下夸克構(gòu)成,中子則是由兩個(gè)一個(gè)上夸克與兩個(gè)下夸克構(gòu)成。
由此我們可以看到,因?yàn)橹凶雍唾|(zhì)子也是由多個(gè)組成部分構(gòu)成,所以它們也具有結(jié)合能。而事實(shí)上是,中子的結(jié)合能比質(zhì)子的結(jié)合能要大很多。這也就意味著,如果要將一個(gè)電子與一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成一個(gè)中子,就必須要有額外的能量來(lái)補(bǔ)充中子和質(zhì)子結(jié)合能之間的差值(能量守恒定律),而這個(gè)能量?jī)H靠電磁力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
這就是電子不會(huì)輕易掉進(jìn)原子核的更深入一點(diǎn)的解釋?zhuān)覀兯私獾闹凶有牵鋵?shí)就是通過(guò)巨大的引力疊加效果,才有足夠的能量將電子壓進(jìn)原子核,因此我們也可以知道,中子星的外層其實(shí)并不是由中子組成。