關於這個問題,我們可以分兩個角度去思考。一個就是一般情況下電子為什麼不會進入原子核,另外一個就是電子在什麼情況下會進入原子核。
電子為什麼不會進入原子核
首先,我這裡指的是在正常狀態下,電子之所以不被原子核吸入。本質上是和「懶」有關。為什麼這麼說呢?
這裡我們要先從粒子物理標準模型說起,上世紀50年代-70年代,科學家們開始瘋狂地尋找粒子,就像當年化學家們找元素一樣,基本上找到的,或者預言到的,都可以拿到諾獎。
而隨著時間的推移,理論物理學家和實驗物理學家一同努力,建構了一套體系,在這套體系裡,統一了強相互作用,弱相互作用,電磁力。也就是說,除了引力之外的三個作用力都實現了統一。
而這個問題就和弱力有關,是弱力確保了電子不會進入到原子核當中。那具體是咋回事呢?這樣從中子和質子說起。我們知道,中子和質子其實並不是基本粒子,它們內部還有夸克,它們雖然都是3個夸克構成的。但是夸克和夸克之間也有不同,由於這個差異的存在,中子的質量要比質子的質量大一點。也正是這一點點的差異,維持了原子核的穩定性。那是如何做到維持穩定性的呢?
在我們這個宇宙裡,其實有個趨勢,就是從事從高能量狀態往低能量狀態的方向發展,這就好比水往低處流是一個道理。根據愛因斯坦的質能方程。
我們知道,中子的能量更高,所以能量其實可以從高的狀態(中子)走向低的狀態(質子和電子)。事實上,也是這樣。中子在原子核內很穩定,但是如果你把中子放置在一個什麼都沒有的地方,它大概也就是15分鐘左右就會分解成質子和中子。
但是,如果你想將質子和電子轉變成中子,就需要額外輸入能量。我們拿氫原子來舉例,氫原子核內只有一個質子,之所以質子沒有變成中子,就是因為質子和電子比中子輕。所以,本質上看,保證電子不會進入原子核內,是因為夸克在質量上的差異。
其實中子的衰變是很常見的。這其實和輻射常常聯繫到一起,宇宙中存在α射線、β射線和γ射線。α射線、β射線釋放出來的是粒子,而γ射線釋放出來的是能量。α射線是氦核、β射線是電子流,他們很容易就被擋下來,而γ射線的穿透力極強。
在負β衰變中,原子核中的一個中子會轉變成一個質子,並且釋放出一個電子。電子會以非常高的能量狀態從原子核內釋放出去。但是其實因為中子突然變成質子,會處於不穩定的狀態。於是,就會通過電磁波的形式釋放出多餘的能量,這個多餘的能量也就是γ射線。
這樣的情況常常發生在不穩定的銫轉變為鋇的過程當中,核電站事故其實也有這樣的過程。
所以,我們來總結一下,電子不會進入原子核,是因為中子的質量比電子和質子加起來都高,根據愛因斯坦的質能方程,能量一般都是從高能量的狀態(中子)向低能量狀態(電子和質子)發生轉變,這才保證了電子不會進入原子核中。而之所以中子和質子的質量有差異,是因為構成它們的夸克質量有差異。
電子也會進入原子核?
那什麼情況下會出現電子進入原子核呢?其實這種情況還蠻多的。最常見的就是中子星。具體來說是這樣的,一般來說恆星的一生都是和引力鬥爭的一生。恆星內部發生核聚變反應產生向外的壓力,以此來對於自身引力。但是隨著核聚變反應的進行,會有大量質量虧損,就拿太陽來說吧,每秒鐘就有400萬多噸的質量虧損。引力和質量是直接相關的,因此時間長了,引力反倒會控制不住核聚變反應,於是,恆星就會膨脹起來,把一部分物質拋灑出去,在因為引力的作用,又進行下一輪核聚變反應。一開始的反應是氫核聚變,氫生成氦-4。
之後,其實就是一直往高順位的元素髮展,一直到鐵。鐵的核聚變反應所需要的能量比反應之後釋放的能量還要多,所以鐵極其穩定,很多恆星都停在這個階段就進行不下去了。但是也有一種情況,那就是這時候的質量極其大,依舊能讓反應進行,就會發生超新星爆炸。
這之後,恆星就有可能稱為一顆中子星。之所以會這樣,是因為引力太大,把電子都往原子核內壓,電子簡併力無法對抗引力,就被壓到了原子核內。所以,中子的密度極其大,一立方釐米的中子星就有10億噸重,一勺子中子星就差不多要有5億噸重。
所以,中子星實際上是因為引力的作用,使得電子不得不進入原子核。