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為何電子不會墜入原子核?

2021-02-22科學

要是放在一百多年前,題主提出了這個問題,那麽題主就可能是量子星空的一顆星星了,可以和波爾薛丁格狄拉克海森堡包立德布羅意波昂這些星星齊名了,因為這個問題的結論就是量子論的開端。

還是從頭說起吧。

最早的原子模型是由道爾頓提出,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象出來的,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套用,不過這也僅僅是個假說,後來波茲曼為此自殺,直到愛因史坦才確定下來。

不過隨著科學的發展,這個觀點出現了問題,湯姆遜發現了電子,這就說明原子是可以再分的,那麽原子內部是如何構造的呢?湯姆遜提出了棗糕模型或者叫西瓜模型,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,看來湯姆遜先生也是個吃貨啊。

湯姆遜的棗糕電子模型

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。

不過湯姆遜的學生拉塞福表示:吾愛吾師,吾更愛真理。對老師的觀點提出了異議,這就是著名的α粒子散射試驗。

α粒子就是氦原子核,由兩個中子和兩個質子組成,帶正電,品質足夠大,速度足夠快,這就是探究原子核內部的子彈啊。

拉塞福用α粒子轟擊金箔,依照湯姆遜的理論,原子內部是均勻的,那麽穿過原子後的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,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?大部份Alpha粒子幾乎不發生偏轉,非常少的Alpha粒子發生了超過90°的偏轉,甚至還有的出現了150°的偏轉,這意味著什麽?

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

拉塞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品質。

拉塞福的行星模型

好了,現在我們終於回到了題主的問題。為什麽電子不落向原子核呢?又為什麽行星不落向恒星呢?

其實這兩個問題不用麻煩拉塞福,偉大的牛頓爵爺就可以回答,因為他們之間的吸重力用來作為向心力維持圓周運動了啊,只不過原子內部是電磁力,行星和恒星之間是萬有重力。

題主的問題說完了,但是對於拉塞福行星原子模型的質疑還沒有結束。

因為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,這個很好理解,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。

拉塞福的學生波耳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,為什麽我不可以懟一懟老師呢?我也是更愛真理啊。

波耳提出了他的原子模型,大意就是電子在固定的軌域上執行,並不會放射線能量,就是不發射光,但是電子在躍遷到另一個軌域時,才會放射線能量,但是躍遷之後,又繼續保持穩定,不再放射線能量,還是用圓周運動做一下比較,當速度和半徑同時變化的時候才會發生放射線能量,這就叫躍遷,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。

波耳的原子模型

偉大的量子論就此產生,物理學進入了一個新時代。

但是波耳的模型也有問題,就是只適用於氫原子模型,對於多原子模型並不合適,那怎麽辦呢?或者說真正的原子模型一個是什麽樣的呢?真正的原子模型應該是電子雲模型,就是電子隨機出現,出現在哪裏都是一種機率。

電子雲模型

不過,這個模型的提出,就該那一群星星們登場了,一時間,包立薛丁格海森堡德布羅意狄拉克波昂康普頓紛紛你方唱罷我登場,天空頓時星光燦爛。