原子内部,电子为什么不会掉入原子核?怎么解释β衰变?

原子内部,电子为什么不会掉入原子核怎么解释β衰变

电子其实是可以掉进原子核里的,只是在我们的日常生活中难以发生。 为什么一般情况下,电子不会掉进原子核里? 先从传统经典认知说起 我们一般理解的原子模型,就像行星围绕恒星旋转一样,这是,卢瑟福于1911年提出来的“原子行星模型”。 在卢瑟福看来,电子与原子核之间的电磁力,替代了行星与恒星之间的万有引力,电子与原子核之间的吸引力,作为向心力维持电子做圆周运动。

但电子带电荷,电子运动就势必会产生电磁辐射,而电磁辐射就意味着能量损失。一旦失去能量电子减少动能,最后势必落到原子核上。 这就好比我们用一根绳子拴着一个石头做圆周运动,一旦我们不用力,石头就会掉下来。 但事实并非如此,所以经典电磁理论无法解释,电子绕原子核运动问题。 量子理论的解释 而后来,普朗克发现能量只能以一份一份的形式释放,也就是能量的释放,具有一个最小量,这就是量子理论的由来。

这个最小的能量单位被称为普朗克常数,小于这个单位能量的电磁辐射是无法产生的。因此电子运动释放的能量,如果不是确定的能量差,就无法释放电磁波。 这一限定,让电子能稳定地绕原子核运动。 卢瑟福的学生玻尔以此,提出了原子模型的“能级”概念,玻尔认为电子会在固定的能级轨道上运动。 而且电子的最小能级轨道并不是最靠近原子核的,反而是距离原子核外50皮米,这也是氢原子的原子半径,称为玻尔半径。

电子在同一轨道上运动不会吸收或释放能量,但在不同轨道之间进行跃迁时,会吸收或释放普朗克常数整数倍的能量。 随着量子理论的发展,“电子云模型”的提出,再一次颠覆了人们对原子的认知。原来电子的轨道,并不是经典意义的圆周运动轨道,而是在不同的能级上围绕原子核做无规则运动。 还有一种解释认为,原子能量守恒,电子势能与动能相互转换。

当电子靠近原子核势能减少,也就意味着动能增加。也就是说,当电子越靠近原子核速度就会变得越快,以至于让他摆脱原子核,产生离心运动。 电子就在势能与动能的拉锯战之间,不停跃迁,电子的势能与动能只会相互转化,而不会消失。 而且根据海森堡不确定原理,电子的动量与位置无法同时确定,且动量越确定,位置越不确定,而位置越确定,动量越不确定。

它们总是此消彼长,这是一种自然规则,而不是人为定义。 在这原理下,如果电子无限接近原子核,就意味着电子的速度与位置都趋于确定了,这是不允许的。 另外根据泡利不相容原理,原子内任意两个电子不会同时处在同一种量子态下。而所有电子除了有两种相反的“自旋”状态,其它都一样,所以同一能级轨道上最多只能有两个电子。

也正是这一原理,让原子变得坚硬。这种坚硬度在物理学上就称为“电子简并压力”。 他到底有多硬呢?只有质量大于太阳1.4倍的恒星核心产生的巨大重力,才能突破电子简并压力。这也是中子星形成的原因。 而电子掉进原子核,与质子合并生成中子,称为“轨道电子俘获”,这一过程也称为β衰变。 β衰变还有两种形式。

β 衰变,是一个质子,在变成中子的过程中,释放出一个正电子和一个中微子。 β-衰变,是一个中子,在变成质子的过程中,释放出一个负电子和一个反中微子。 所以说,β衰变可以看成是质子和中子的相互转换过程。一个原子核能发生β衰变,意味着这个原子核的不稳定,也就是我们常说的具有放射性。而β衰变是在弱相互作用下产生的。

而放射性衰变的本质,其实是原子核内也具有类似电子一样的“能级”概念,从激发态到基态,就发生了衰变。因为原子核空间比电子的运行空间小得多,按量子力学来说,核子动量的不确定性更大,所以核外电子一般是几电子伏特,而原子核衰变一般是百万电子伏特。所以放射性衰变的杀伤力才这么大。总结 电子不会轻易地掉进原子核里,才能保证物质的稳定,也是生命能够存在的前提。

原子的内部空间完全是真空的,但为什么原子没有因此而塌缩呢?

原子的内部空间完全是真空的,但为什么原子没有因此而塌缩呢

这是一个极为重要的问题,而正是对这个问题的回答最终产生了量子力学。首先我们看看太阳系为什么没有坍塌,因为太阳系也几乎是真空的。牛顿的回答是这样的:虽然万有引力使得太阳对太阳系内的天体都有引力,但是包括地球在内的天体绕着太阳的运动的离心力和引力达到了平衡,使得这些天体不会坍塌到太阳上。但是如果用广义相对论考察这些天体的运动,我们就会发现,这些天体的运动必然会产生引力波损失能量,最终太阳系还是会坍塌的。

当然详细的计算表明,依靠引力波损失能量的时间尺度会太长,很可能太阳本身的演化最终会导致太阳系瓦解掉。最开始物理学家卢瑟福也是试图用太阳系的模型来理解原子为什么不塌缩的。原子核带有正电荷,而电子的电荷的负的,所以原子核和电子之间有吸引力,类似太阳对行星的吸引力。电子为了不掉到原子核上,就必须绕着原子核高速运动,让离心力和吸引力达到平衡。

但是这有一个严重的问题,那就是电子绕着原子核运动就是加速运动,而电荷的加速运动必然会产生电磁波辐射。按照麦克斯韦的电磁场理论进行计算,立刻就发现电子的电磁波辐射会很强,几乎瞬时就会损失掉全部的动能落到原子核上,也就是稳定的原子不可能存在!这显然是荒谬的!那么怎么办?物理学家波尔就提出了关于原子的最早的量子模型:电子在原子核内并不是绕着原子核做疯狂的圆周运动,而是处于一些稳定的轨道上,在这些轨道上不会产生电磁波辐射,只有电子在这些稳定的轨道(也称为“能级”)之间跳动(也称为“跃迁”)时,才吸收或者发出光子,光子的能量就是两个轨道的能级之差,因此光子的能量就是“量子化”的,这就是最早的波尔原子模型,根据这个模型计算的氢原子的光谱和实验观测到的非常一致。

当然现在量子力学比当初波尔提出来的时候复杂和完善了很多,我就不在这里介绍了。由于波尔当时的这个思想是革命性的,就靠着这个工作获得了诺贝尔物理学奖。最后声明:由于太忙,我没有时间读我回答后面的评论和发给我的私信,当然也无法回答评论里面提出的问题和回复私信。如果您希望我回答您的问题,请在悟空问答提出,然后邀请我回答,我会在方便的时候挑一些问题回答。


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