原子是由原子核和电子构成,但问题是,原子核和电子都是带电粒子,其中原子核带正电,电子带负电,在这种情况下,原子核就会对电子产生强大的吸引力,既然如此,那为什么电子不会掉进原子核中呢?
对于这个问题,或许你会想到地球和太阳,毕竟太阳的引力也会对地球产生强大的吸引作用,但地球却没有掉进太阳,为什么会这样呢?
(资料图片仅供参考)
这其实可以通过经典物理学来进行解释,即:地球一直在围绕着太阳公转,在此过程中,太阳的引力充当了向心力的“角色”,或者也可以更简单地说,地球围绕太阳公转时会受到“离心力”的作用,这平衡了太阳对地球的吸引力(注:“离心力”是一种虚拟力,它其实是物体惯性的体现)。
看上去,我们似乎只需要将电子比作地球,将原子核比作太阳,就可以简单解释为什么电子不会掉进原子核中了,实际上,科学家也曾经这么想过,但他们随后意识到,这种解释有很大的缺陷。
要知道即使是电子在围绕着原子核做匀速圆周运动,它的速度方向也一直在变化,也就是说,在这此过程中的电子一直有加速度,而电子是带电粒子,根据经典电磁理论,任何带电的物体在具有加速度的情况下都会释放电磁波,并因此而损失能量。
这就意味着,随着时间的流逝,电子的能量就会越来越低,它与原子核的距离也会随之越来越近,并最终掉进原子核中。
于是这就成为了一个科学界头疼了很久的问题,一直到量子力学出现之后,科学家才找到答案。这具体是怎么回事呢?我们接着看。
所谓量子,并不是指某种特定的微观粒子,简单来讲就是,假如有一个物理量存在着最小的、不可分割的基本单位,那么这个“基本单位”就被称为量子,而这个物理量就是量子化的。
在量子力学中有一个“海森堡不确定性原理”,该原理由物理学家沃纳·卡尔·海森堡(Werner Karl Heisenberg)于1927年提出,其内容简单地概括为,对于像电子这种微观粒子来讲,我们不能同时确定它们的位置和动量。
这就意味着,原子内部的电子,并不会像“地球围绕太阳公转”那样围绕着原子核运行,对此我们可以简单地理解为,在原子的内部,电子的分布是不确定的,我们只能够通过概率来描述它们出现在某个位置上的可能性。
另一方面来讲,由于电子的能量是量子化的,因此它们就不能像我们常见的宏观物体那样,可以吸收或释放任意小份的能量,而只能是一份一份的不连续的值,在这种情况下,电子就只能处于一些特定的能量状态,这也被称为“能级”。
对于原子内部的电子来讲,它们会自发地向能量更低的状态跃迁,当从较高的“能级”跃迁到较低的“能级”时,电子会以电磁波的形式释放出能量。
但假如电子要释放的能量不是正好与两个“能级”之间的能量差相等的话,那电子就无法释放能量了,在这种情况下,即使电子具有加速度,它们也不会释放出电磁波,而只能在处于当前的“能级”,这就解释了为什么电子可以在具有加速度的情况下,可以始终与原子核保持一定的距离。
需要知道的是,电子的“能级”并不是可以无限低的,它有一个能量最低的状态,我们可以将其称为“最低能级”,当电子处于这种状态时,就没有更低的能量状态可以跃迁了。
在原子的内部,电子的能量并不是离原子核越近就越低,根据量子力学的具体计算,电子的“最低能级”的能量轨道其实与原子核存在着一定的距离(比如说氢原子中的电子的“最低能级”的能量轨道,就位于其原子核之外大约50皮米的位置)。
综上所述可知,电子会自发地向能量更低的状态跃迁,但这个过程有一个终点,那就是“最低能级”,而因为“最低能级”的能量轨道其实是位于原子核之外,所以当电子跃迁到“最低能级”时,就不会自发地继续向原子核接近了,正因为如此,电子才不会掉进原子核中。
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