既然電子帶負電,原子核帶正電,那為什么電子不會掉入原子核里?
關于這個問題,相信大家都會從宏觀的層面來思考,比如說太陽對地球有著巨大的引力,而地球為什么不會掉進太陽。這個問題很好解釋,這是因為角動量存在的原因,如果要讓地球掉入太陽,就必須要讓地球的動能減少,或者大幅度降低地球的軌道,顯然這是不大可能的。
那么“為什么電子不會掉進原子核”這個問題也可以這樣解釋嗎?答案是否,因為電子是帶電粒子,它在運動過程中會不可避免的產(chǎn)生電磁輻射,從而降低自身的動能,如果電子真的如地球圍繞太陽一樣運行,那電子將會因不斷的失去動能而掉入原子核里。
事實上,電子的運行軌道與地球完全不同,簡單的講,就是電子出現(xiàn)在原子核外的地點是隨機的,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,而影響電子運行軌道的關鍵,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,世間萬物都會自發(fā)的趨向于使能量降到最低,這就是“能量最低原理”,意思就是一個系統(tǒng)的能量越低,它就越穩(wěn)定。
同樣的,原子也會遵循這一規(guī)律,當一個原子處于最低的能量狀態(tài)時,就被稱之為“基態(tài)”,基態(tài)之外被稱之為“激發(fā)態(tài)”。為了幫助大家理解,這里舉一個不恰當?shù)睦觼碚f明,你向天空扔出一塊石頭,這個時候石頭就處于“激發(fā)態(tài)”,而當這塊石頭落在地面上停止不動的時候,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,能量的交換是無處不在的,所以電子可以通過各種方式來獲得能量,通常來講電子獲得的能量越高,它就離原子核越遠,當電子獲得了足夠的能量,它就可以掙脫原子核的束縛,變成自由電子。所以通常來講,電子都不會運行在“基態(tài)”的軌道上。
現(xiàn)在我們可以說出這個問題的答案了:處于“基態(tài)”的原子,其電子的運行軌道是不在原子核之內的,因此電子也就不會掉入原子核內了。但是新的問題又來了,為什么這個軌道不在原子核內呢?在搞懂這個問題之前,我們需要先了解一些其他的知識。
電子俘獲
其實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),電子是會掉入原子核的,當一個電子被原子核俘獲時,該原子的原子核內的一個質子將會與這個電子轉變成一個中子,與此同時原子核會釋放出一個中微子。一般來講,原子的序數(shù)越高,越容易發(fā)生電子俘獲。
結合能
如果一個物體由多個部分組成,那么它的各個組成部分之間就會存在一種能量,將它們結合在一起,這種能量就被稱之為結合能。結合能的大小決定了一個物體的各組成部分的緊密程度。
中子和質子的構成
根據(jù)現(xiàn)代粒子物理學標準模型,中子和質子是由夸克組成,具體為質子由兩個上夸克與一個下夸克構成,中子則是由兩個一個上夸克與兩個下夸克構成。
由此我們可以看到,因為中子和質子也是由多個組成部分構成,所以它們也具有結合能。而事實上是,中子的結合能比質子的結合能要大很多。這也就意味著,如果要將一個電子與一個質子轉變成一個中子,就必須要有額外的能量來補充中子和質子結合能之間的差值(能量守恒定律),而這個能量僅靠電磁力是遠遠不夠的。
這就是電子不會輕易掉進原子核的更深入一點的解釋,我們所了解的中子星,其實就是通過巨大的引力疊加效果,才有足夠的能量將電子壓進原子核,因此我們也可以知道,中子星的外層其實并不是由中子組成。