電子帶負電,原子核帶正電,電子為什麼不會掉入原子核內?

2020-11-27 鍾銘聊科學

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。

相關焦點

  • 原子核帶正電,電子帶負電,為什麼電子不會掉入原子核?
    我們從初中開始學習物理課和化學課時,就會學到比較初級版本的原子結構,這個原子結構大概是下面這樣:老師一般會告訴你,原子是由原子核和電子構成的,而原子核帶正電,電子帶負電。所以,其實這裡就隱含著一個問題,既然原子核帶正電,電子帶負電,那根據異性相吸的道理,電子應該會掉落到原子核內才對呀?關於這個問題,困擾著科學家也蠻久的,原子模型的最終確立,經歷了好幾代科學家的努力。而我們學到的版本是波爾的原子模型的,這個模型沒能解決這個問題。
  • 原子核帶正電,電子帶負電,為什麼電子不會掉到原子核內?
    #了不起的基礎科學#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?
  • 電子帶負電,原子核帶正電,異性相吸,為何電子沒掉進原子核內?
    真實的原子模型相信很多人在上初高中時,都有看到過原子模型,一般來說,這個模型就是一個原子核在中心,外面有電子,電子有相應的軌道。這就好像我們的太陽系一樣,中心有個太陽,外面各個行星在各自軌道上。然後,老師一般還會說,原子核是帶正電,電子是帶負電的。
  • 既然電子帶負電,原子核帶正電,那為什麼電子不會掉入原子核裡?
    關於這個問題,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,而地球為什麼不會掉進太陽。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。
  • 帶負電的電子,為什麼不會墜入帶正電的原子核中?
    電子帶負電,原子核帶正電,看似異性相吸,但其中存在許多限制條件。根據海森堡測不準原理,微觀粒子的位置和動量無法同時確定,其中一個數據測得越準確,另一個數據就越不準。一般來說,電子在其能運行的軌道上,離原子核越近它的運行速度就越快,如果電子墜入原子核中,那麼它的動量和位置,這兩個數據都可以測得更準確,這違反了量子力學的基本規律。微觀粒子需要遵循不確定性不等式:ΔxΔp≥h/4π ,其中h是普朗克常量,Δx是粒子位置的不確定量,Δp是粒子動量的不確定量,使用時通常只在數量級上計算,作定性說明。
  • 電子帶負電,原子核帶正電,為什麼電子不墜入原子核?
    電子是可以飛向原子核與質子中和的,只是一般物質受量子力學約束,電子只能保持在一定軌道上,沒有足夠能量飛向原子核而已。在經典的原子模型中,電子圍繞原子核繞行,由帶負電荷的電子和帶正電荷的質子間庫侖力提供向心力,但是這個模型有很多缺點。比如在電磁學中,電子繞核運動會向外輻射電磁波,從而損失能量,使得電子墜入原子核,理論計算整個過程就是一瞬間,原子不可能穩定存在,這顯然和事實不相符合。
  • 原子內部,電子為什麼不會掉入原子核?怎麼解釋β衰變?
    我們都知道,原子是由原子核和電子構成,而原子核又是由質子和中子構成的。而質子是帶正電,中子不帶,這就意味著原子核其實是帶正電的。那問題就來了,原子核帶正電,而電子帶負電,根據異種電荷相吸引的原則,照理說電子應該會墜入到原子核當中才對,事實上,並沒有。那究竟是咋回事呢?
  • 電子帶負電原子核帶正電,那麼電子為何不墜入原子核中?
    原子內部結構以及物理特性並不同於我們所在的宏觀世界,那裡的一切都被量子力學統治著! 事實上,在人類對原子結構的研究過程中,確實有問題中這樣的疑問,電子帶負電,原子核正電,它們應該相互吸引到一起!同時,理論上電子在運動的過程中會因為向外輻射電磁波失去能量墜入到原子核中,但這種情況並沒有發生!
  • 電子帶負電荷,原子帶正電荷,為何電子不會墜入原子核?
    因為在量子力學中,能量是一份一份的,這個條件限制了電子圍繞原子核運動的軌道,使得一般情況下電子不會墜入原子核。原子的經典模型1897年湯姆生發現電子,經典物理學對原子的模型,就是電子圍繞原子核運行,電子帶負電,原子核帶正電,由庫侖力提供向心力。
  • 不顯電性的原子和帶正、負電的離子
    原子原子是構成物質的一種微粒。它的體積很小很小,不要「妄想」用肉眼看見它,然而它是真實存在的,有物質的地方都有它:今天的午飯、高樓大廈、雲朵……都是由原子構成的。原子整體不顯電性,分為原子核(帶正電)和核外電子(帶負電),原子核又是由帶正電的質子和不帶電的中子組成。
  • 電子為什麼不掉進原子核裡面
    但是同樣的問題卻沒有發生在原子內部,原子內部電子和原子核之間的萬有引力雖然微弱到可以忽略不計,但是它們之前有強大的電磁力,那為什麼電子最終卻沒有落到原子核上呢?要回答這個問題,就要從頭說起了。二、盧瑟福的實驗α粒子就是氦原子核,由兩個中子和兩個質子組成,帶正電,質量足夠大,速度足夠快,這就是探究原子核內部的子彈啊。
  • 電子帶負電,原子核帶正電,兩者互相吸引,為什麼還未墜入原子核
    中學的時候老師就告訴我們電子圍繞著原子核運行,也告訴我們原子核電荷是+,電子電荷是-,也許當時有很多同學都想到了一個問題,正負電荷會在庫侖力的作用下相互吸引,最後中和,可能這個念頭一閃而過,但肯定有很多朋友提出問題來了,不知道各位的是老師怎麼回答的,有沒有給出令人信服的答案,我們今天來簡短討論一下!
  • 為什麼電子不會落入原子核中?
    在不少的原子示意圖中,正如行星環繞太陽旋轉一樣,電子也在環繞原子核旋轉。這種原子模型由盧瑟福在1911年提出,又被稱為原子行星模型。考慮到行星和太陽之間有引力作用,引力剛好充當行星公轉的向心力,所以行星不會掉進太陽中。
  • 電子為什麼不會落入原子核中
    微觀粒子中原子核帶正電、電子帶負電,電子在原子核靜電引力作用下最終卻會形成圍繞原子核運動的原子系統,並不會落入原子核中,這是經典電磁理論無法解釋的:經典電磁理論認為電子由於繞原子核作加速運動將會不斷輻射電磁波導致能量減少並最終落入原子核中。實際上電子不會落入原子核中主要有兩點理由:一是電子被原子核靜電引力拉近時會不斷&34;放出光子獲得反衝從而避免落入原子核中。
  • 正負電荷相吸,為什麼電子不會落入原子核中?
    這種原子模型由盧瑟福在1911年提出,又被稱為原子行星模型。 考慮到行星和太陽之間有引力作用,引力剛好充當行星公轉的向心力,所以行星不會掉進太陽中。同樣地,帶負電的電子和帶正電的原子核之間存在庫侖力作用,庫倫力剛好充當電子公轉的向心力,所以電子不會掉進原子核中。
  • 電子為什麼沒有掉入帶正電荷的原子核?這確實是一個問題!
    電子帶負電荷,原子帶正電荷,為什麼電子不會掉入原子核中?這可能是很多朋友搞不清楚的問題!按一般意義上理解,正負電荷會互相吸引之後逐漸靠攏,並最終合為一體,無論是引力還是電磁力或者弱力與強力,都是這個結果!
  • 原子既然不是行星模型,那麼是什麼力使電子與原子核不離不棄?
    最早道爾頓提出了原子是物質最小不可分割的實心球體模型;後來湯姆遜發現原子由原子核和電子組成的布丁模型,這個理論認為原子核就像一個西瓜,電子就像鑲嵌分布在西瓜肉裡面的瓜子;再後來盧瑟福提出了行星模型,認為原子由一個中心佔主要質量的原子核,外面電子圍繞著旋轉的系統組成,電子獲得能量就躍遷
  • 面試真題>初中化學《原子的構成》教學設計
    盧瑟福通過實驗證明原子是由原子核和核外電子兩部分構成的。湯姆森提出棗糕式原子模型。請同學們充分發揮自己的想像力,想像一下原子核與核外電子是怎樣構成原子的?    環節二:新課講授    1.原子的結構    【展示視頻】展示帶正電荷的α粒子轟擊金箔,讓學生仔細觀察α粒子的運動軌跡是怎樣的。
  • 在原子裡面電子和原子核之間是絕對真空嗎?為什麼?
    那接下來,我們說一說原子內電子和原子核之間的是不是存在絕對的真空。一般來說,我們看到的原子模型都是這樣的:不過,後來隨著量子力學的發展,科學家發現核外的電子並沒有所謂的預定軌道,它並不像行星和太陽系之間的關係,電子在原子核外是呈現電子云的狀態,意思是,電子的位置是隨機的,連它自己都不知道下一刻會出現在哪,我們只能用概率來描述電子出現的可能性。
  • 原子的組成:原子核、質子、中子、電子,以及什麼是同位素?
    原子是在大爆炸137億年後形成的。當這個炎熱而密集的新生宇宙開始冷卻時,這就為夸克和電子的形成創造了有利條件。夸克結合在一起會形成質子和中子,而這些粒子處於原子核中。根據歐洲核子研究中心的說法,這一切發生在宇宙誕生的最初幾分鐘內。