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一個令科學界頭疼了很久的問題:為什麼電子不會墜落到原子核上?
2023/08/10

第二,原子遵循能量最低原則構成穩定的結構。雖然核外電子理應處于基態以使整個原子系統的能量最低,但電子不斷運動并從其他地方獲取能量,使其表現無規律地分布在原子核周圍。帶電粒子的運動會有電磁輻射,不斷地吸收和釋放能量。因此電子很少停留在基態,更不會掉入原子核內部。

第三,穩定性的原因還在于結合能。一個由多個部分構成的粒子或系統,其部分之間存在一種將它們緊密聯系在一起的能量,即結合能。這種能量的大小與粒子或系統的貼合程度成正比。電子與原子核之間的結合能遠小于核子之間的結合能。因此,在通常情況下,電子不會掉入由高結合能組成的原子核內。這并不是掉入與否的問題,而是能否進入的問題。電子的能量無法達到進入核子內部的程度,因此在通常情況下電子不會掉入核子中。

下面我們來看一下質子和中子所具有的性質。質子和中子是構成原子核的基本粒子,它們之間的結合能差別很大,處于不同的數量級。中子的結合能比質子要大得多。如果某一質子捕捉一電子,并拋棄一中微子,就能夠轉化成一個中子。這個過程需要巨大的能量,因為質子轉成中子的結合能差異很大。那麼問題來了,外層的電子怎樣獲得足夠大的能量與質子結合,以轉化成中子呢?電子和原子核之間的電磁力能量是根本達不到的,因此電子根本無法進入原子核,更不要說掉進去了。

但是有特例中子星,在中子星形成時,電子能夠被擠進質子,轉變為中子。大質量恒星到后期變成白矮星或紅巨星時,內部形成夸克核。在強力的引力下,恒星殘骸會快速坍塌,引力會摧毀殘骸的原子架構。此時,核外電子受到巨大引力的壓擠進原子核內與質子結合,轉為中子,并釋放中微子。

只有這種級別的能量才能使電子掉到原子核上。另外,原子的原子序數越大,越易于捕獲電子。核外電子捕獲或獲取能量越高,它離核越遠,達到一定程度時,電子就會跳出原子核的力場成為自由電子,即電離。處于這個階段的原子會釋放光子,這就是為什麼會發光。

原子是構成物質的基本單位,原子核對電子具有強大的電磁力,元素種類繁多,因此構成了世界的多樣性。然而,電子本身是肉眼不可見的,它既沒有確定的大小,也沒有確定的位置。它是用來描述物質成分和構成的理論。按照傳統的中國思維,電子被稱為「虛無」。然而,通過庫侖公式能夠證明電子的存在能量。此外,通過元素的外電子分布理論,我們能夠準確解釋物質如何結合和消散的,從而誕生了化工業,以及生物化學、基因理論和工程等。僅化工領域,就有著無窮無盡的發展前景。

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