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为何电子不会坠入原子核?

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吴牛喘月,公众号“科学史话”
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要是放在一百多年前,题主提出了这个问题,那么题主就可能是量子星空的一颗星星了,可以和波尔薛定谔狄拉克海森堡泡利德布罗意波恩这些星星齐名了,因为这个问题的结论就是量子论的开端。

还是从头说起吧。

最早的原子模型是由道尔顿提出,认为原子就是一个坚硬的小球,而且不可再分,同种元素的原子的性质相同,这个观点基本是由道尔顿想象出来的,但是也非常接近实际情况了,如果不谈物理,只谈化学的话,这个观点到现在为止也可以应用,不过这也仅仅是个假说,后来玻尔兹曼为此自杀,直到爱因斯坦才确定下来。

不过随着科学的发展,这个观点出现了问题,汤姆逊发现了电子,这就说明原子是可以再分的,那么原子内部是如何构造的呢?汤姆逊提出了枣糕模型或者叫西瓜模型,这个比喻太形象了,只要我们想想吃的枣糕和西瓜就可以大致了解这个模型,看来汤姆逊先生也是个吃货啊。

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汤姆逊的枣糕电子模型

大意就是电子均匀地分布在原子内部,就象枣糕上的枣,西瓜中的西瓜籽一样。

不过汤姆逊的学生卢瑟福表示:吾爱吾师,吾更爱真理。对老师的观点提出了异议,这就是著名的α粒子散射试验。

α粒子就是氦原子核,由两个中子和两个质子组成,带正电,质量足够大,速度足够快,这就是探究原子核内部的子弹啊。

卢瑟福用α粒子轰击金箔,依照汤姆逊的理论,原子内部是均匀的,那么穿过原子后的α粒子的偏转角度应该大致相同,就好像对西瓜扫射,这个比喻不太恰当,用机枪扫射一块坚硬的钢板吧,子弹基本上偏转应该差不多,可结果呢?大部分阿尔法粒子几乎不发生偏转,非常少的阿尔法粒子发生了超过 90°的偏转,甚至还有的出现了 150°的偏转,这意味着什么?

这意味着原子内部大部分空间都是空的,而中间有一个坚硬的核心,穿过空的空间 的粒子没有发生偏转,而碰到核心的粒子出现了大角度偏转。

卢瑟福据此提出了原子行星模型,大意就是原子中电子围绕原子核旋转,电子带负电,原子核带正电,而且原子核极小,但集中了原子的几乎所有质量。

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卢瑟福的行星模型

好了,现在我们终于回到了题主的问题。为什么电子不落向原子核呢?又为什么行星不落向恒星呢?

其实这两个问题不用麻烦卢瑟福,伟大的牛顿爵爷就可以回答,因为他们之间的吸引力用来作为向心力维持圆周运动了啊,只不过原子内部是电磁力,行星和恒星之间是万有引力。

题主的问题说完了,但是对于卢瑟福行星原子模型的质疑还没有结束。

因为原子是会释放光谱的,释放光谱就意味着能量逐步减少,能量逐步减少后,电子的速度就会降低,慢慢地就应该落到原子核上,这个很好理解,我们用绳子栓一个小石块做圆周运动,当我们不用力的时候,小石块就会慢下来,回到圆心,当然不会回到圆心,因为还受到重力作用。

卢瑟福的学生玻尔感到这个历史的重任落到了他的肩上,既然老师可以怼师爷,为什么我不可以怼一怼老师呢?我也是更爱真理啊。

玻尔提出了他的原子模型,大意就是电子在固定的轨道上运行,并不会辐射能量,就是不发射光,但是电子在跃迁到另一个轨道时,才会辐射能量,但是跃迁之后,又继续保持稳定,不再辐射能量,还是用圆周运动做一下比较,当速度和半径同时变化的时候才会发生辐射能量,这就叫跃迁,而且,关键是这个而且,这个跃迁是不连续的,必须是普朗克常数的整数倍,这就是量子论。

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玻尔的原子模型

伟大的量子论就此产生,物理学进入了一个新时代。

但是玻尔的模型也有问题,就是只适用于氢原子模型,对于多原子模型并不合适,那怎么办呢?或者说真正的原子模型一个是什么样的呢?真正的原子模型应该是电子云模型,就是电子随机出现,出现在哪里都是一种概率。

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电子云模型

不过,这个模型的提出,就该那一群星星们登场了,一时间,泡利薛定谔海森堡德布罗意狄拉克波恩康普顿纷纷你方唱罢我登场,天空顿时星光灿烂。

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