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真实的原子模型

相信很多人在上初高中时，都有看到过原子模型，一般来说，这个模型就是一个原子核在中心，外面有电子，电子有相应的轨道。这就好像我们的太阳系一样，中心有个太阳，外面各个行星在各自轨道上。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

然后，老师一般还会说，原子核是带正电，电子是带负电的。原子核是由质子和中子构成的，质子带正电，中子不带电，因此，原子核才会带正电。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

实际上，初高中老师讲授的原子结构是经过特意简化的。目的其实是为了方便教学。真实的原子模型是和上图中的模型截然不同的。在经过几代物理学家的努力，原子模型发生了好几次迭代。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

如今，最为主流的原子模型更接近于下面这样。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

我来给你稍加解释一下：这个模型与初高中所需学的模型之间的区别在哪？文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

首先，这个模型的比例是和初高中所学的不同。这里的原子核极其小，如果原子有足球场那么大，那原子核最多也就是一根头发丝粗细的水平。虽然如此，但原子核的质量占据了整个原子总质量的99.99%以上。除此之外，电子不存在轨道，而是呈现概率云的形式。那为什么会是这样的呢？文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

上世纪20年代，科学家发现微观世界和宏观世界是很不同的。你在观测一个电子时，你很难同时获得电子的位置信息和动量信息。他们发现，只要测准了位置信息，再测动量信息就不准了，反之亦然。这是因为，观测本身就会影响到微观粒子的运动状态。基于这个原因，物理学家海森堡提出了著名的不确定性原理。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

但是，在研究原子模型的过程中，科学家一直备受一个问题的困扰。上文我们也提到了，电子是带负电的，而质子是带正电。我们都知道，同种电荷相斥，异种电荷想吸引。那问题就来了，为什么电子不会坠入到原子核中？文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

为什么电子不会坠入到原子核中？

这里其实就涉及到了物理学中非常基础的定律，这就是能量最低原理。这个定理告诉我们：文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

所有的能量都是由高处流向低处。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

那这个和电子不会坠入原子核有什么关系呢？文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

这就需要引入另外一个至关重要的物理学认知，这也就是爱因斯坦在1905年提出的质能等价。如果要问在整个科学史上最出名的方程是哪个？文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

那一定就是质能方程，也就是E=mc^2。其中E代表能量，m代表质量。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

爱因斯坦在《质能等价》的论文中，开头就写到：文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

若一个物体以辐射形式发射能量L，它的质量减少L/c²。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

也就是说，爱因斯坦把质量和能量统一了起来，它们是一个物体的两个面。质量里还有能量，能量里还有质量。在科学界还有一种观念，它们认为：物质实际上是能量极度压缩的状态。或者说，世界其实是能量的。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

于是，我们就会知道，任何的物体，只要有质量，它就蕴含着mc^2的能量。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

了解了这些，我们就会知道，电子，质子，中子都可以通过质能方程计算出它们所对应的能量。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

当一个电子坠入到原子核后，照理说，电子应该会和质子会发生反应，生成一个中子和中微子。而电子不会坠入原子核内的一个很重要的原因，其实是这个反应不会自发进行。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

这里核心的原因就在：电子能量+质子能量＜中子能量+中微子能量。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

所以，要使得反应进行，就需要输入大量的能量才行。具体来说是这样的，我们可以通过查表来获取到中子、电子、质子的能量，如下：文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

中子：939.565 MeV电子：0.510 MeV质子：938.272 MeV文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

这里补充一点，中微子的质量如今也没有测到准确值，但我们知道的是它的质量微乎其微，最低的上限在0.12 eV至0.25 eV之间，这和电子质量都差了好几个数量级，更不要说和质子、中子相比了。所以，我们可以忽略掉中微子的存在，因为它不会影响最终的结果。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

我们通过把电子和质子的能量加和，就得938.782 MeV。这个能量是要小于质子的939.565 MeV。所以根据能量最低原理，能量要从高处流向低处，因此，电子和质子的反应，在不输入能量的情况下，是不会发生的。这才确保了电子不会坠入到原子核中。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

从上文中，我们知道，中子的能量要大于电子和质子的能量，所以，中子和中微子是有可能发生反应，生成电子和质子的。事实也确实如此，这个反应被我们称为β衰变。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

没有被约束在原子核的自由中子，在自然条件大概15分钟就会发生β衰变。而在原子核中的中子发生β衰变就困难许多。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

泡利不相容原理

当然，实际上，如果我们真的去压缩电子，要把它们压入到原子核中。你会发现，即使你补齐了反应所需要的能量，反应也不会发生。那这是为什么呢？文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

其实，除了质量最低原理，实际上还存在着泡利不相容原理。这个理论告诉我们：文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

两个全同的费米子不能处于相同的量子态。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

那这到底啥意思呢？文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

具体来说就是，在微观粒子中分为两类，一类叫做玻色子，一类叫费米子。玻色子是群居，但费米子其实是独居。那这要咋理解呢？电子是典型的费米子，我们就以电子为例。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

泡利就发现原子核外的电子其实不是乱来的，它们其实是一个萝卜一个坑，每个电子都有属于自己的独一无二量子态，这就导致它们好像在排排坐做一样。如果你对其施加压力，这时候这种量子效应就会产生对外抵抗的力，以此来抵抗压力，同时电子也不至于就在这个压力下坠入到原子核内，这个力也被称为简并态压力。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

这种现象其实并不常见，但是在天文学中却是很常见的。类似于太阳这样的恒星，如果演化到生命尽头，就会形成一颗白矮星。白矮星其实就是电子处于简并态，简并态压力对抗住了自身的引力作用。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

但是宇宙之大，无奇不有。在宇宙中，质量要比太阳多一些的恒星，在演化晚期会形成中子星。中子星就属于电子的简并态压力没有阻挡住引力，导致电子被压入了原子核中，电子和质子反应生成中子和中微子。中微子由于质量很小，会在形成过程中逃离。最终，这颗恒星就会成为绝大部分都是中子构成的致密天体。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

总结

通过上文的讲述，我们知道，由于质子和电子的能量之和小于中子的能量只和，根据能量最低原理，所以电子不会自发地坠入到原子核中和质子发生反应。同时根据泡利不相容原理，即使我们输入缺失的这部分能量，反应也没有办法进行，这是由于电子的简并态压力造成的。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

关于电子为什么不会坠入原子核中，我们就说到这里。文章源自略懂百科-http://wswcn.cn/100632.html

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