電子為什麼不掉進原子核裡面

2020-12-04 科學背後的故事

我們隨手扔出一塊石頭,石頭不管飛多高多遠,最終也會落到地面上來,即便飛得更高更遠的人造衛星最後的結局也是回歸大地母親的懷抱,這是因為萬有引力的存在,我們扔出去的物體最終都會回到地球上。

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。

一、早期的原子模型

最早的原子模型是由英國科學家道爾頓提出,他認為原子就是一個堅硬的小球,而且不可再分,同種元素的原子的性質相同。

這個觀點基本是由道爾頓想像出來的,但是也非常接近實際情況了,如果不談物理,只談化學的話,這個觀點到現在為止也可以應用,不過這也僅僅是個假說,並沒有實驗驗證,後來支持這一觀點的玻爾茲曼因為和對手爭論,身心疲憊為此自殺,那麼原子的觀點是什麼時候才為人們認可的呢?這要等到愛因斯坦出現,1905年,就是傳說中的愛因斯坦奇蹟年,愛因斯坦關於布朗運動的一篇論文論證了原子的存在,後來,法國物理學家佩蘭根據愛因斯坦的論文做了實驗,證實了愛因斯坦的觀點,原子論才為人們廣泛接受,沒想到吧,今天耳熟能詳的原子居然直到愛因斯坦才被科學界認可,由此也可以想見愛因斯坦的偉大。

不過隨著科學的發展,道爾頓原子論的部分觀點也出現了問題,依照道爾頓的看法,原子是不可再分的,可是英國科學家湯姆孫發現了電子,這就說明原子是可以再分的,那麼原子內部是如何構造的呢?湯姆孫也憑空想像了一個模型,這倒是和道爾頓一樣,湯姆孫的模型叫做棗糕模型或者叫西瓜模型,大意就是電子均勻地分布在原子內部,就象棗糕上的棗,西瓜中的西瓜籽一樣。

這個比喻太形象了,只要我們想想吃的棗糕和西瓜就可以大致了解這個模型,看來湯姆孫先生也是個吃貨啊。

不過湯姆孫的學生盧瑟福表示還是做個實驗驗證一下吧。這個不做實驗憑空想像出來的理論被打臉的太多了,為了驗證老師的理論,盧瑟福決定做一個實驗,這就是著名的α粒子散射試驗。

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。

盧瑟福用α粒子轟擊金箔,依照湯姆孫的理論,原子內部是均勻的,那麼穿過原子後的α粒子的偏轉角度應該大致相同,就好像對西瓜掃射,這個比喻不太恰當,應該是用機槍掃射一塊堅硬的鋼板吧,子彈基本上偏轉應該差不多,可結果呢?大部分α粒子幾乎不發生偏轉,非常少的阿爾法粒子發生了超過90°的偏轉,甚至還有的出現了150°的偏轉,這意味著什麼?

這意味著原子內部大部分空間都是空的,而中間有一個堅硬的核心,穿過空的空間的α粒子沒有發生偏轉,而碰到核心的粒子出現了大角度偏轉。

盧瑟福據此提出了原子行星模型,大意就是原子中電子圍繞原子核旋轉,電子帶負電,原子核帶正電,而且原子核極小,但集中了原子的幾乎所有質量。

這就是所謂的電子為什麼不掉入原子核問題的由來。在盧瑟福看來,原子核就象是太陽,而電子就象是行星,就這麼一直圍繞著原子核旋轉,那麼地球不是也沒有掉入太陽中嗎?他們之間的萬有引力都作為向心力維持圓周運動了,這個好像解決了問題,其實還沒有。

原子和太陽系不同的是原子是會釋放光譜的,釋放光譜就意味著能量逐步減少,能量逐步減少後,電子的速度就會降低,慢慢地就應該落到原子核上,還是用牛頓力學來解釋吧,我們用繩子栓一個小石塊做圓周運動,當我們不用力的時候,小石塊就會慢下來,回到圓心,當然不會回到圓心,因為還受到重力作用。

按照這種情況,電子就應該落到原子核上啊,可是這種情況並沒有發生,要是電子落到原子核上的話,我們的地球就會變成中子星,可是現在並沒有這種情況發生啊。

三、玻爾的量子革命

盧瑟福的學生玻爾感到這個歷史的重任落到了他的肩上,既然老師可以懟師爺,為什麼我不可以懟一懟老師呢?

玻爾提出了他的原子模型,大意就是電子在固定的軌道上運行,並不會輻射能量,就是不發射光,但是電子在躍遷到另一個軌道時,才會輻射能量也就是發光,但是躍遷之後,又繼續保持穩定,不再輻射能量,而且,關鍵是這個而且,這個躍遷是不連續的,必須是普朗克常數的整數倍,這就是量子論。

還是來打個比方吧。玻爾的原子模型中,電子就象在賽道上的汽車一樣,只能在固定的賽道上飛馳,當出現事故的時候,汽車會跳到內圈的賽道,這個時候就輻射電磁波或者叫發光,而跳到內圈跑道後,由於速度和半徑都發生了變化,這就是說汽車的動能已經降低了,其能量差就等於輻射出去的電磁波,反過來也一樣,要是吸收電磁波呢,電子就會跳到外圈跑道,這種從內圈跳到外圈或者外圈跳到內圈的過程就叫躍遷,不過注意啊,由於跑道中間有障礙物,汽車可是跳過去的,不是跑過去的,所以躍遷也不是連續的。

波爾的模型完美地解釋了電子為什麼不掉進原子核,偉大的量子論就此產生,物理學進入了一個新時代。

但是玻爾的模型也有問題,就是只適用於氫原子模型,對於多原子模型並不合適,那怎麼辦呢?或者說真正的原子模型一個是什麼樣的呢?真正的原子模型應該是電子云模型,就是電子隨機出現,出現在哪裡都是一種概率。

這就是電子的波粒二象性,或者說根本就沒有電子,存在的只是一種概率波。不過,這個模型的提出,就該那一群星星們登場了,一時間,泡利薛丁格海森堡德布羅意狄拉克波恩康普頓紛紛你方唱罷我登場,天空頓時星光燦爛。

相關焦點

  • 電子為什麼不會掉進原子核裡面去?
    我們都知道萬事萬物都是由原子構成,但是原子本身又可以繼續細分,分為原子核和核外電子組成,不同的原子外面有不同數量的電子,那麼就有一個疑問,電子為什麼不會掉進原子核裡面去呢?今天我就來談談這個問題。最開始提出一個原子結構的模型的人,就是湯姆森,也就是是電子的發現者,湯姆森發現原子內部居然會有另一種物質存在:電子,而且電子不僅僅可以在原子內部運動,還可以脫離原子跑出來,所以湯姆森就提出一種原子的結構模型:西瓜模型。原子就好像是由多個電子組成,有點類似於西瓜裡面有很多西瓜籽,這些西瓜籽相對均勻的分布在原子裡面。
  • 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。
  • 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?
    那麼「為什麼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裡。
  • 在原子裡面,原子核和電子之間是絕對真空嗎?為什麼?
    先說答案,在原子裡面電子和原子核之間不是絕對真空。因為宇宙中壓根沒有絕對真空。二,現代科學證明物理概念上的絕對真空不空,裡面充滿了各種粒子,包括虛光子和能量。真空是一個物理現象,指在給定的空間內低於一個大氣壓的氣體狀態。真空是個相對概念,宇宙太空中空間真空度很高,但也不是沒有一點物質,每立方米含一個氫原子或分子。
  • 正負電荷相吸,為什麼電子不會落入原子核中?
    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。
  • 電子帶負電,原子核帶正電,異性相吸,為何電子沒掉進原子核內?
    原子核是由質子和中子構成的,質子帶正電,中子不帶電,因此,原子核才會帶正電。實際上,初高中老師講授的原子結構是經過「特意」簡化的。目的其實是為了方便教學。真實的原子模型是和上圖中的模型截然不同的。在經過幾代物理學家的努力,原子模型發生了好幾次迭代。如今,最為主流的原子模型更接近於下面這樣。
  • 在原子裡面電子和原子核之間是絕對真空嗎?為什麼?
    對於大多數人來說,所謂的「真空」是指不存在任何物質的空間狀態。我們也可以理解成是一定區域內的氣壓遠遠小於大氣壓。關於這種定義,我要簡單說一下,在這種頂一下的「真空」,實際上,絕對真空是不可能存在的,即使是外太空都不是絕對的真空,而認為抽真空也沒辦法實現絕對的真空。
  • 電子為什麼不會落入原子核中
    ④當電子與原子核在靜電引力作用下沿著直線相互靠近時,電子會通過&34;放出光子獲得反衝從而增大繞核速度,保證其不落入原子核中;電子在遠離原子核時又會迅速吸收光子增加質量為下一次&34;做好物質儲備。⑤雖然電子可以吸收光子增大質量,但是電子存在&34;,大於&34;的電子都是極不穩定的,將在極短時間內裂變放出光子並重新生成能夠穩定存在的質量較小的電子。
  • 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。
  • 電子帶負電,原子核帶正電,電子為什麼不會掉入原子核內?
    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?
  • 原子核帶正電,電子帶負電,為什麼電子不會掉入原子核?
    後來,波爾的學生海森堡提出了不確定性原理,他認為,電子並沒有特點的軌道,而是同時在各個位置,呈現概率雲的特點。但是,不確定性原理也沒有解決這個問題。真正解決這個問題的是愛因斯坦的質能等價、能量最低原理、泡利不相容原理。那這些原理到底是啥意思呢?我們接下來,一個個來聊一聊就能知道為什麼電子不會落入到原子核內了。
  • 為什麼電子不會被原子核吸過去?
    在該模型中,原子結構被認為與恆星系擁有類似的結構,太陽系的中心是太陽,而原子的中心是原子核。太陽系周圍是行星、衛星和其他太空天體,而原子核外面是電子,無論是行星還是電子,都圍繞著它們的中心在作圓周運動。
  • 帶負電的電子,為什麼不會墜入帶正電的原子核中?
    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!
  • 科學界頭疼的問題:為什麼電子不會被原子核吸過去?
    在該模型中,原子結構被認為與恆星系擁有類似的結構,太陽系的中心是太陽,而原子的中心是原子核。太陽系周圍是行星、衛星和其他太空天體,而原子核外面是電子,無論是行星還是電子,都圍繞著它們的中心在作圓周運動。那麼為什麼電子在繞原子核運動的時候不會掉進原子核中呢?
  • 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?
    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! 這是為什麼?
  • 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
  • 原子中的電子可不可以相對原子核保持靜止不動呢?
    電子是不可以靜止不動的,根據早期的玻爾原子理論,電子受到原子核的庫侖力作用,在庫侖力的作用下做圍繞原子核的圓周軌道運動。它的速度和具有的動能不可能為零,根據束縛尺度大小,具有一個最小值。電子是一直束縛在原子尺度的空間裡,量子力學認為電子是微觀粒子,具有波粒二象性,滿足不確定關係,海森堡的不確定關係揭示的是一條重要的物理規律:粒子本身在客觀上不能同時具有確定的坐標位置及相應的動量。假定電子被束縛在原子尺度範圍呢,即假定 位置變量為r,那麼,因為波粒二象性,使得粒子在客觀上不能同時具有確定的坐標和動量。
  • 兩個原子的原子核為什麼距離那麼遠?電子怎樣維持原子的體積?
    一、原子核太小了原子核跟原子比相差確實比較大,半徑差十萬倍左右,體積差約10^15倍,大概是一千萬億倍左右。這麼大的體積差距,質量卻集中到原子核上。這是早期科學家無論如何都想不到的。直到盧瑟福做實驗發現了這個事實,依然令大多數科學家震驚。