【原】一个科学界头疼了很久的问题：为什么电子不会掉进原子核中？ 前沿热点
来源：个人图书馆-魅力科学君 2023-06-02 18:39:26
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？
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）。
【资料图】
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。
