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为何电子不会坠入原子核?

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问题挺好,而且我觉得也是可以给小朋友说清楚的,针对不同程度的提问者用不同的办法就好了。

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比如说本科以上(物理专业):

其实是可以掉进去的,只要超过相对论电子简并压就行了。掉进去碰上质子变成中子跟电子中微子。

相对论简并压看这个索引,点进去找文献:Chandrasekhar limit

电子俘获过程看这个索引,点进去找文献: Electron capture

而本科(任何接触过量子力学的专业):

通常情况下不能掉进去,你就看三维氢原子的薛定谔方程的解。只需看径向部分,径向波函数是一个合流超几何方程,只有整数多个有物理意义的解,分别对应氢原子各个分立(意味着电子径向能量的量子化)的主壳层。最低壳层对应能量基态,而最低壳层的峰对应玻尔半径。所以能量最低的态在原子核外。

当然更物理的原因也可以这么说,电子服从薛定谔方程,我们可以认为薛定谔方程是根据正则量子化类比经典哈密顿方程导出来的。而正则量子化意味着动量和位置具有不确定性关系。不确定性关系意味着空间尺度越小,能标越大。于是电子掉入原子核的态并非系统基态

对中学生:

那么我们要先讲一下为什么电子应该掉进去。

首先电子和原子核都是带电粒子。其次,按照经典物理的观点,电子又在核外做圆周运动。是有加速度的。经典电磁学理论告诉我们:带点粒子有加速度时会释放出电磁波。于是按照经典物理学的预言,电子应该不断地释放出电磁波,不断地损失能量,使得轨道越来越低,直到掉入原子核。

其实一百多年前的物理学家就是这么认为的。它们认为原子像个枣糕,电子像枣糕上的葡萄干一样点缀在原子核表面。但很快卢瑟福的散射实验证明原子里面其实绝大多数地方都是空的。电子离原子核挺远。电子不会坠入原子核!

这个理论和实验事实的矛盾在经典物理学中无解。所以直到量子力学出现之后才有了答案。原因是原子并不能像宏观物体一样可以释放任意小份的电磁能量。原子能够释放的能量是分立的一些值,这叫能量量子化。电子只能处在一些特定的“能级”上。所以哪怕电子带电且做着加速运动,如果将要释放的电磁能量的值不是正好等于两个能级的能量差的话,这个电磁辐射就会被禁止。所以电子可以在离原子核较远的轨道稳定运动。

另外量子力学的具体计算还会发现电子的能量并不是离核越近越低。相反,最低的能量轨道处在原子核外大约50皮米的位置(氢原子),叫做玻尔半径。

给小朋友:

其实是可以掉进去的,但是原子是一坨特别特别硬的东西,要使劲。一般情况下使不了那么大劲。

什么叫做硬?就比如说空气和水吧,水就比空气硬多了。所以压水就要用很大的力气。但是原子比它们还要硬得多得多得多得多。要知道能够把电子压到原子核里面去的力气,足够把整个地球压到海淀区那么大!那时候地球就变成了一颗中子星。我们就没了,所以不要去压。

为什么会那么硬?这个就不好说了,硬要说的话就是电子啊质子啊中子啊这些东西特别特别不愿意待在同一个地方。如果要强迫它们待在同一个地方必须施加额外的压力,这样的压力叫简并压。其实你别看那些科学家老头看起来这么厉害。他们也就知道个大概。

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PS:但别用牛顿力学类比。小朋友只是知识量少。真要说起来,小朋友可能比没受过训练的成年人更容易接受量子的思维。

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