首页情感专区正文

为什么电子不会落入原子核中?

情感专区2019-08-205

在不少的原子示意图中,正如行星环绕太阳旋转一样,电子也在环绕原子核旋转。这种原子模型由卢瑟福在1911年提出,又被称为原子行星模型。


考虑到行星和太阳之间有引力作用,引力刚好充当行星公转的向心力,所以行星不会掉进太阳中。同样地,带负电的电子和带正电的原子核之间存在库仑力作用,库伦力刚好充当电子公转的向心力,所以电子不会掉进原子核中。


然而,这种原子模型其实是完全错误的。那么,现代物理学又是如何解释电子不会掉进原子核中呢?


原子行星模型的起源

原子行星模型的起源是因为引力和库仑力的相似性。根据牛顿引力定律,两个质量之间的引力表达式为:


其中m1和m2表示物体的质量,r表示两个物体质心的距离。


根据库仑定律,两个带电粒子之间的库仑力的表达式为:


其中q1和q2表示带电粒子的电荷量,r表示两个带电粒子之间的距离。


然而,与行星不同的是,电子是带电的。自19世纪中叶以来,物理学家就知道,经历加速(速度和方向的改变)的电荷会发出电磁辐射(光子),在这个过程中会损失能量。


一个旋转的电子会把原子变成一个微型的无线电台,它的能量输出是以电子的势能为代价的。根据经典力学,随着能量的不断损失,电子将会螺旋进入原子核中,原子会坍缩。


量子理论来拯救

到了20世纪20年代,随着量子力学的发展,物理学家认识到,像电子这样的微小物体不能被看作具有一定位置和速度的经典粒子,我们只能知道电子在空间中任何一点出现的概率。根据量子力学,越靠近原子核,电子出现的概率越高。


上图为离原子核不同距离的单位体积空间内的电子电荷量,这就是所谓的概率密度图或者电子云。越靠近原子核的地方,单位体积空间内的电子数增长得非常快。从这个角度看,电子似乎确实落入了原子核中。


“无限之战”把电子从死亡螺旋中拉回来

虽然电子的势能会随着它向原子核力场的移动而变得更负,但它最终会趋于负无穷。然而,由于总能量保持不变,势能的损失由电子动能的增加来补偿,动能的增加决定了电子的动量和有效速度。


因此,当电子无限接近原子核时,它的势能会下降到负无穷,而它的动能则会上升到正无穷。这场“无限之战”双方都无法获胜,而是达成了一个平衡。势能的下降只是动能的两倍,电子以与玻尔半径相对应的平均距离而运动。


不确定性原理

不过,这种描述还有一个问题。根据不确定性原理,像电子这样小的粒子既不能被认为具有确定的位置,也不能被认为具有动量。海森堡认为,诸如电子这样的量子粒子的位置或动量可以被精确地知道,但随着其中一个量被精确地测定,另一个量的值会变得越来越不确定。这不仅仅是一个观察困难的问题,而是一个自然的基本属性。


这意味着在原子的微小范围内,电子并不能被认为是一个具有确定动量和位置的“粒子”。因此,“电子落入原子核”的说法从一开始就是错误的。


版权声明

本文仅代表作者观点,不代表本站立场。
本文系作者授权发表,未经许可,不得转载。