令你驚訝的思想可能就藏在這不起眼的問題中,先從衛(wèi)星與地球、地球與太陽這類經(jīng)典物理的例子開始:
天體的環(huán)繞為什么可以不掉下來(核心詞:保守力)
衛(wèi)星(處在高軌位置,比如墓地軌道)繞地球轉(zhuǎn)、地球(或者其他天體)繞太陽轉(zhuǎn)可以一直不掉下去,這是現(xiàn)實(shí)的例子,為什么?
如上圖,它們都有個(gè)共同的特點(diǎn),只受到一種力的作用:引力(當(dāng)然這是一種近似,應(yīng)該說是引力的合力,因?yàn)樘柤芭R近的行星也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生引力,只不過相比地球而言小的多)。
它們的做功,只取決于r1,r2,即,取決于開始和結(jié)束點(diǎn)的位置。換句話說,引力對(duì)環(huán)繞者增加或減少了多少動(dòng)能,只取決于環(huán)繞者的開始和結(jié)束時(shí)所在的位置。
如上圖,當(dāng)運(yùn)行軌道為橢圓時(shí),每繞一圈做功就為0,當(dāng)運(yùn)行軌道為標(biāo)準(zhǔn)圓軌道時(shí),r1與r2處處相等,所以做功總是為0。
所以,環(huán)繞者(衛(wèi)星、地球)的動(dòng)能保持不變,可以一直維持在一個(gè)穩(wěn)定的軌道上。
低軌衛(wèi)星為什么會(huì)掉下來(核心概念:能量損失導(dǎo)致離心力小于引力)
具體的過程如上圖,通常是諸如空氣阻力、自身制動(dòng)力等,造成環(huán)繞者動(dòng)能、速度降低----導(dǎo)致角速度降低----導(dǎo)致離心力降低----導(dǎo)致引力大于離心力----導(dǎo)致墜落。核心的原因在于有能量損失。
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那么,
電子繞原子核運(yùn)行是否與此類似呢?
你可能會(huì)說,只要電子的繞核運(yùn)動(dòng)沒有能量損失,它當(dāng)然不會(huì)掉下來,不是嗎?
你或者又會(huì)說,事實(shí)擺在那,電子有固定的軌道、能級(jí),它在繞行的過程中不會(huì)損失能量。
嗯.......我想告訴你,問題的重點(diǎn)不在這里,電子可能根本就沒有這些個(gè)煩惱。
為什么呢?接著往下看。
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序幕:科學(xué)家一開始和你有一樣的疑問
(如上圖)在量子力學(xué)誕生之前,物理學(xué)家們認(rèn)為粒子的運(yùn)動(dòng)都是連續(xù)的,具體來說,盧瑟福行星結(jié)構(gòu)的原子模型認(rèn)為,電子繞原子核旋轉(zhuǎn)的軌道是連續(xù)明確的。
按照前面所說的行星模型,只要電子在繞原子核運(yùn)行過程中不損失能量,就能夠解釋電子為什么不會(huì)掉進(jìn)原子核這一事實(shí)。
那么,電子有能量損失嗎?
(如上圖)根據(jù)經(jīng)典電磁理論,因?yàn)殡娮訋в须姾?,在繞行原子核(變速運(yùn)動(dòng))的過程中會(huì)產(chǎn)生韌致輻射(同步輻射光源就是這個(gè)原理),向外輻射連續(xù)譜的電磁波,迅速的損失能量,從而逐步靠近原子核,并最終落入原子核,計(jì)算表明整個(gè)持續(xù)的時(shí)間在30納秒以內(nèi)。
這顯然是與現(xiàn)實(shí)相悖的。
那么,只能說明這種經(jīng)典的行星繞行原子模型是有問題的!
玻爾給出了量子化模型,但...........(一階段答案)
猶如希臘神話中的普羅米修斯,普朗克(Max Planck)在1900年將量子力學(xué)的火種帶給了人類,他提出黑體(對(duì)能量只吸收不反射,比如太陽)輻射的能量量子化假說,也就是說黑體的輻射能量是一份份的離散的能量子湊出來的。
如上圖,左邊是吸收或放出的能量,右邊依次是n(主量子數(shù)),普朗克常數(shù),能量子的頻率,普朗克常數(shù)就是一個(gè)很小的常數(shù),頻率也好理解對(duì)吧,這個(gè)n,取值1、2、3、4。。。。。,現(xiàn)在理解了吧,拿這個(gè)n正整數(shù)去乘這個(gè)hv,最后的結(jié)果當(dāng)然是一份一份的了,這就是所謂的能量子。
玻爾很快借鑒這一思想給出了新的半經(jīng)典量子化原子模型。
如上圖,他提出了一個(gè)“定態(tài)”概念,假定電子只能在一些離散的、非連續(xù)的軌道上做圓周運(yùn)動(dòng),電子的軌道角動(dòng)量L也是量子化的,其取值只能為“h拔”的正整數(shù)倍。并且這些軌道狀態(tài)是相對(duì)固定的,不會(huì)輻射能量。
雖然玻爾的理論成功的解釋了氫原子光譜的線狀結(jié)構(gòu),但.....對(duì)于電子在軌道上為什么不會(huì)損失能量沒有給出解釋,只是人為規(guī)定了固定的能級(jí),換句話說:沒有理由,它就是不損失能量。
這有點(diǎn)牽強(qiáng)!
德布羅意給出了一個(gè)靠譜的解釋,但.........(二階段答案)
那到底能不能從一個(gè)我們更好理解的實(shí)在出發(fā),給出一個(gè)更加合理和自然的解釋呢,有請(qǐng)官二代德布羅意出場。
(如上圖,話說,好像有人說他的論文是一頁紙的,實(shí)際情況應(yīng)該是這樣的,他在1924年的博士論文就是第一張圖上標(biāo)準(zhǔn)厚的,第二張是他1923年發(fā)表在自然科學(xué)雜志上的,確實(shí)就是個(gè)豆腐塊)
德布羅意提出了著名的物質(zhì)波概念,他在1924年的博士論文中的原話是:我們假定,任何運(yùn)動(dòng)物體都伴隨著一個(gè)波動(dòng),而且不可能把物體的運(yùn)動(dòng)跟波的傳播拆開。他的猜想在1927年由戴維遜和革末完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
經(jīng)過計(jì)算,重1g,速度為1厘米/每秒的灰塵其物質(zhì)波波動(dòng)為6.63*10的-29次方米。所以這種效應(yīng)在宏觀尺度上是無法被觀測(cè)到的,但!它卻真實(shí)存在。
(如上圖左)在此基礎(chǔ)上,他用物質(zhì)波的假設(shè)來解釋電子為什么不會(huì)輻射能量的原因:因?yàn)殡娮拥奈镔|(zhì)波在沿軌道傳播時(shí),其軌道周長正好等于物質(zhì)波波長的整數(shù)波,形成了駐波。
如上圖,左邊是軌道周長,右邊為電子物質(zhì)波波長的整數(shù)倍,這個(gè)公式夠簡單又清晰。
但是。。。。我又要講但是了:德布羅意的上述觀點(diǎn)只能算是二階段不完全答案。它也有個(gè)問題:這個(gè)波到底是個(gè)什么?
德布羅意物質(zhì)波的概念提出來后,因?yàn)榈玫搅穗娮痈缮媾c衍射等實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,包括波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人薛定諤及德布羅意本人,都覺得電子的這種波是實(shí)實(shí)在在的物質(zhì)波,具有同機(jī)械波類似的實(shí)際物質(zhì)結(jié)構(gòu),但仔細(xì)分析后會(huì)發(fā)現(xiàn),如果按照這種說法,電子的物質(zhì)波包就會(huì)在傳播的過程中發(fā)生擴(kuò)散,打個(gè)形象的比方就是電子會(huì)變得越來越“胖”,這顯然與實(shí)際情況不符合。
玻恩、薛定諤給出了新的解釋(三階段.....)
1925 年 11 月,薛定諤在閱讀愛因斯坦關(guān)于玻色一愛因斯坦統(tǒng)計(jì)的論文時(shí),得知德布羅意的博士論文,深有感觸。在一次研討會(huì)上,德拜指出,既然粒子具有波動(dòng)性,應(yīng)該有一種能夠正確描述這種量子性質(zhì)的波動(dòng)方程,薛定諤深受啟發(fā),創(chuàng)立了 薛定諤波動(dòng)方程
具體的公式如上圖(看看就好)
這是一個(gè)偏微分方程,等式的左右邊是能量的微分形式,它描述了:粒子在三維保守力(前面講過的)外力場中所具有的能量等于勢(shì)能與動(dòng)能之和的關(guān)系(此處埋坑,最后一段有重要作用),并以此為基礎(chǔ),導(dǎo)出波函數(shù)隨時(shí)間演化的關(guān)系式。
關(guān)于在這里被引入的波函數(shù),也就是該方程的解,如上圖,一開始,就連薛定諤自己搞不清它的物理意義(當(dāng)然,直到現(xiàn)在,包括波函數(shù)的坍縮過程也沒有一個(gè)絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)答案),他認(rèn)為波函數(shù)代表了分散的粒子。
不管怎樣,我們從能看到的實(shí)在來說明:單電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)(如上圖),單個(gè)電子確實(shí)會(huì)與自己干涉,而表現(xiàn)出打中底板的隨機(jī)性,但打在底板上時(shí),它確實(shí)只是一個(gè)點(diǎn),只有在經(jīng)過大量的粒子打擊后,從整體上表現(xiàn)出了波動(dòng)性,這一思路很重要,相信你也很容易理解它。
為此,玻恩提出了一種統(tǒng)計(jì)詮釋觀點(diǎn):他認(rèn)為德布羅意的物質(zhì)波或者薛定諤波動(dòng)方程中的波函數(shù)所描述的并不是實(shí)在的物質(zhì)結(jié)構(gòu),只不過是刻畫粒子在空間分布概率的概率波而已,換句話說,粒子在空間的某處出現(xiàn)的概率服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,正是這種統(tǒng)計(jì)規(guī)律顯現(xiàn)了粒子的波動(dòng)性質(zhì)。
雖然愛因斯坦、德布羅意、薛定諤都極力反對(duì),但這種既承認(rèn)波動(dòng)性又不必割裂粒子的觀點(diǎn)得到了實(shí)驗(yàn)的支撐和多數(shù)物理學(xué)家的認(rèn)同,并使他獲得了1954年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
這次你重新提出問題并且自己找到答案(三階段......答案)
講完這個(gè)概率波,對(duì)于文章標(biāo)題提出的問題,可以給你一個(gè)三階段的答案:那就是,這個(gè)問題本身問錯(cuò)了,按照概率波解釋,電子不會(huì)有明確的運(yùn)行軌道,而是如上圖,是一團(tuán)圍繞在原子核周圍的概率云。
當(dāng)然,對(duì)于這幅由荷蘭科研機(jī)構(gòu)拍攝于2013年的圖,需要注意的是,它并不是一張真正意義上的“實(shí)拍圖”,因?yàn)閲?yán)格來說,它并不是一個(gè)氫原子上電子真正的定格,眾所周知,觀測(cè)會(huì)破壞電子的波函數(shù)狀態(tài)。
如何巧妙的避開這一難題呢,(如上圖)其基本的原理是利用靜電場將1個(gè)氫原子的電子剝離開并投影在底板上,這相當(dāng)于給原子的圖像拍了一幀,當(dāng)然,這個(gè)原子就不能再用了,然后下一個(gè)原子再來一張,再下一個(gè),再下一個(gè),輔助以適當(dāng)?shù)姆糯?,這樣大量氫原子的投影的集合就間接的湊出了一個(gè)氫原子電子波函數(shù)的圖景了。
至此,可以給出本文標(biāo)準(zhǔn)問題中正確的問法:“電子帶負(fù)電荷,原子帶正電荷,為什么電子不會(huì)有一定概率存在于原子核中呢”?
當(dāng)你提出這個(gè)問題時(shí),你會(huì)發(fā)現(xiàn),你自己找到答案了:電子(當(dāng)你不觀測(cè)它時(shí))當(dāng)然會(huì)出現(xiàn)在原子核中,只是遵循一定的概率而已。
遵循什么樣的概率?
應(yīng)該說,到此為止,對(duì)于本文標(biāo)題中的問題,已基本回答的差不多了,但接下來這一段當(dāng)你看完后,會(huì)有個(gè)更加深入的認(rèn)識(shí)。
不知你是否記,前面提到的薛定諤波動(dòng)方程推導(dǎo)的前提:粒子在三維保守力(前面講過的)外力場中所具有的能量等于勢(shì)能與動(dòng)能之和,這是一個(gè)很重要的出發(fā)點(diǎn),它向你透露了一個(gè)重要的信息,電子的波函數(shù)狀態(tài)或者說電子具體在某一處出現(xiàn)的概率與它具有的能量(勢(shì)能、動(dòng)能)有著密切的關(guān)系。
(具體關(guān)于電子的能量與主量子數(shù)n、角量子數(shù)l、磁量子數(shù)m的關(guān)系參見我的上一篇關(guān)于自旋的萬字回答)
如上圖,換句話說,當(dāng)電子的能量不同時(shí),其出現(xiàn)在原子核附近或者原子核中的概率是不同的,一般來說,受到質(zhì)子吸引力越強(qiáng),或者說與原子核靠的越近,這種出現(xiàn)的概率越大,當(dāng)然這樣講是有現(xiàn)實(shí)的例子的。
在核衰變中的貝塔衰變中有種特殊的類型,被稱為軌道電子俘獲,當(dāng)主量子數(shù)為n=1時(shí),即電子處于K主殼層時(shí),原子核俘獲它的概率最大。當(dāng)電子被俘獲后,一個(gè)質(zhì)子就轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)中子。
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參考文獻(xiàn):
1、量子力學(xué)的奧秘與困惑,丁諤江,科學(xué)出版社;
2、新編基礎(chǔ)學(xué)物理(第三版)(上)(下),科學(xué)出版社;
3、量子力學(xué)卷1(第五版),科學(xué)出版社;
4、原子及原子核物理,科學(xué)出版社;
5、各種搜一搜
這個(gè)問題確實(shí)是沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)量子力學(xué)之前很困惑的一點(diǎn)。我們就簡單的來說下吧!
為什么會(huì)認(rèn)為電子會(huì)掉入原子核?
其實(shí)這個(gè)問題不僅僅是題主困惑,連一百多年前的物理學(xué)家就是這么認(rèn)為的。著名的原子模型棗糕模型就是這樣。
盧瑟福的散射實(shí)驗(yàn)證明原子里面其實(shí)絕大多數(shù)地方都是空的。電子離原子核挺遠(yuǎn)。人們才開始意識(shí)到電子不會(huì)墜入原子核!
但為什么呢?因?yàn)榻?jīng)典電磁學(xué)理論告訴我們帶電粒子有加速度時(shí)會(huì)釋放出電磁波。那么在電子不斷地釋放出電磁波,必然會(huì)不斷地?fù)p失能量,使得軌道越來越低,直到掉入原子核呀?
按照這個(gè)理論想,還確實(shí)是一回事。但是正是這些用經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象才促使物理新大門的打開。
其實(shí)量子力學(xué)告訴我們:原子并不能像宏觀物體一樣可以釋放任意小份的電磁能量。原子能夠釋放的能量是分立的一些值,這叫能量量子化。電子只能處在一些特定的“能級(jí)”上。所以哪怕電子帶電且做著加速運(yùn)動(dòng),如果將要釋放的電磁能量的值不是正好等于兩個(gè)能級(jí)的能量差的話,這個(gè)電磁輻射就會(huì)被禁止。所以電子可以在離原子核較遠(yuǎn)的軌道穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。
真的無法掉下去嗎?
看完前面你應(yīng)該會(huì)想原來如此,但是我想說:稍等稍等,我要裝逼了?。。?/p>
量子力學(xué)解釋了為什么電子不會(huì)掉進(jìn)原子核中,但是它也告訴我們事實(shí)無絕對(duì),電子也可以掉入原子核中(除過中子星巨大引力的那種情況),只要超過相對(duì)論電子簡并壓就行了。掉進(jìn)去碰上質(zhì)子變成中子跟電子中微子。
如果有興趣的話可以去了解下電子簡并壓,但是友情提示最好物理基礎(chǔ)知識(shí)比較扎實(shí)。
評(píng)論留下你的看法!
答案:這是微觀世界規(guī)律決定的,不能用經(jīng)典力學(xué)去思考這個(gè)問題。
電子帶負(fù)電,原子核帶正電,看似異性相吸,但其中存在許多限制條件。
根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理,微觀粒子的位置和動(dòng)量無法同時(shí)確定,其中一個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)得越準(zhǔn)確,另一個(gè)數(shù)據(jù)就越不準(zhǔn)。一般來說,電子在其能運(yùn)行的軌道上,離原子核越近它的運(yùn)行速度就越快,如果電子墜入原子核中,那么它的動(dòng)量和位置,這兩個(gè)數(shù)據(jù)都可以測(cè)得更準(zhǔn)確,這違反了量子力學(xué)的基本規(guī)律。
微觀粒子需要遵循不確定性不等式:ΔxΔp≥h/4π ,其中h是普朗克常量,Δx是粒子位置的不確定量,Δp是粒子動(dòng)量的不確定量,使用時(shí)通常只在數(shù)量級(jí)上計(jì)算,作定性說明。
為什么要遵循這個(gè)規(guī)律?因?yàn)樵谖⒂^世界中觀察和計(jì)算到的結(jié)果就是這樣的,無法解釋原因,只能說清現(xiàn)象。
其次,電子的運(yùn)行規(guī)律也會(huì)阻礙它墜入原子核中。
電子真實(shí)的存在狀態(tài),并非初高中教科書上看到的電子運(yùn)動(dòng)模型,電子是以概率云的形式分布在它所能存在的能級(jí)軌道上,就是在特定的軌道上會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)。
如果電子位于外層的高能級(jí)軌道,它想到內(nèi)層的低能級(jí)軌道,需要向外輻射電磁波釋放能量才行,但這個(gè)能量并非任意值,只有輻射的能量剛好等于軌道的低能差,電子才有可能向內(nèi)層躍遷。
否則,即便電子在高能級(jí)軌道做加速運(yùn)動(dòng),也無法輻射出電磁波,這就是電子可以在高能級(jí)軌道穩(wěn)定運(yùn)行的原因,也是它為什么不會(huì)墜入原子核的原因。
實(shí)際上,電子也并非不會(huì)墜入原子核,只不過需要有額外的能量,這又牽扯到泡利不相容原理。泡利不相容原理指的是:費(fèi)米子組成的體系中,不允許有兩個(gè)或以上的粒子處于完全相同的狀態(tài),粒子迫近就會(huì)產(chǎn)生一種壓力來抵抗引力,電子簡并壓就產(chǎn)生了。
當(dāng)引力超過電子簡并壓時(shí),電子會(huì)被吸入原子核中,最后變成中子和中微子,中子星就是這么形成的,而中子星沒有進(jìn)一步演化,則是由于中子簡并壓的頑強(qiáng)抵抗。
微觀世界對(duì)電子進(jìn)行層層保護(hù),防止它墜入原子核中,如果沒有這些機(jī)制存在,世界也就不會(huì)存在。
這個(gè)問題可以有很多種解釋,其中行星模型再結(jié)合量子力學(xué)的電子概率云模型就可以很好地解釋了。但是今天我們?cè)儆懻撘环N新穎的解釋方法:核力
我們都知道,原子核中的中子和質(zhì)子之所以可以穩(wěn)定地結(jié)合在一起而沒有分開,就是因?yàn)楹肆Φ拇嬖?。核力它是一種短程力,屬于強(qiáng)相互作用力,比引力要強(qiáng)10^35倍以上,比庫倫力也強(qiáng)的多。它的作用范圍僅在約1.5*10^-15m內(nèi)。核力在大于0.8*10^-15m時(shí)表現(xiàn)為吸引力,且隨距離增大而減小,超過1.5*10^-15m時(shí),核力急速下降幾乎消失;而在距離小于0.8*10^-15m時(shí),核力表現(xiàn)為斥力。核力與電荷屬性無關(guān)、且存在飽和性。
知道了核力的性質(zhì),我們就討論一下電子為何不掉入原子核中。因?yàn)殡娮与m然具有一定的動(dòng)能,但是這種動(dòng)能還是太小,即便是加上電子和質(zhì)子之間的庫侖力,都不足以克服核力能壘使電子進(jìn)入原子核。當(dāng)然,如果壓力足夠大,比如超新星爆炸時(shí),核心的巨大壓力就可以給電子足夠的力克服核力能壘,從而直接把電子壓入原子核然后再和質(zhì)子結(jié)合形成中子。
但是,在我們正常的物質(zhì)組成中,我們根本就無法給出如此大的壓力,故而電子也沒有足夠能量克服核力能壘進(jìn)入原子核。
這其實(shí)是一個(gè)極其復(fù)雜的問題。直接給出答案,電子是可以墜入原子核的,但是需要外界的能量輸入。
原子模型
其實(shí)19世紀(jì)末到20世紀(jì)初,很多科學(xué)家也都認(rèn)為電子應(yīng)該會(huì)掉入到原子核內(nèi)。這當(dāng)中就包括大名鼎鼎的湯姆遜,盧瑟福。他們之所以有這樣的想法,其實(shí)和當(dāng)時(shí)的電磁學(xué)理論有關(guān)。麥克斯韋提出麥克斯韋方程,統(tǒng)一了”電“和”磁“,預(yù)言了電磁波的存在。而赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在。
而根據(jù)麥克斯韋的電磁學(xué)理論,電子應(yīng)該是不斷地釋放電磁波,損失能量,然后軌道越來越低,最后墜入原子核中。
因此,當(dāng)時(shí)的湯姆遜就認(rèn)為原子的模型應(yīng)該像棗糕一樣,上面鑲嵌電子。在這個(gè)模型中,電子是均勻地分布在原子內(nèi)部的。
盧瑟福是湯姆遜的學(xué)生,他想要證明自己老師的觀點(diǎn),于是就做了那個(gè)著名的α粒子散射實(shí)驗(yàn)。α粒子其實(shí)就是氦核,氦核當(dāng)中有兩個(gè)中子和質(zhì)子,他用氦核當(dāng)作子彈去轟擊金箔,以此來研究原子核內(nèi)部的情況。
按照湯姆遜的棗糕模型,原子的內(nèi)部應(yīng)該是均勻的,所以,α粒子穿過時(shí),發(fā)生偏轉(zhuǎn)的角度應(yīng)該都差不多??山Y(jié)果呢?
絕大部分的α粒子都穿了過去,只有極其少量的發(fā)生偏轉(zhuǎn),而且偏轉(zhuǎn)角度都很大。這就說明原子內(nèi)部大部分是空心的,原子核其實(shí)很小,α粒子是撞到了原子核后,才有那么大的偏轉(zhuǎn)角度。于是,盧瑟福提出了他的原子模型:行星模型。
這個(gè)模型其實(shí)核我們上初中時(shí)學(xué)的原子模型很像,電子在原子核外繞著轉(zhuǎn),原子核很小,但原子的質(zhì)量幾乎都集中在原子核上。但是這個(gè)模型一被提出來,就遭到了很多科學(xué)家吐槽。因此,根據(jù)麥克斯韋的電磁理論,電子還是最終要墜入原子核,變成棗糕模型的。
后來,盧瑟福有個(gè)學(xué)生叫做波爾,他提出了一個(gè)新的原子模型。這個(gè)模型告訴我們,電子是由自己的固定軌道的,一般來說并不會(huì)向外輻射電磁波。只有當(dāng)發(fā)生躍遷時(shí),才會(huì)輻射電磁波,以此來保持穩(wěn)定。這里要補(bǔ)充一句,躍遷輻射的能量并不是連續(xù)的,而是一份份的。
波爾的模型其實(shí)和我們的太陽系很像,所以當(dāng)時(shí)的科學(xué)家其實(shí)還蠻喜歡這個(gè)模型的??墒遣柕哪P瓦\(yùn)用到氫原子還行,元素序數(shù)越大,誤差就大得離譜。
后來,波爾有個(gè)學(xué)生叫做海森堡,他提出了著名的不確定性原理,他認(rèn)為電子并不像波爾說的那樣,有軌道,而是應(yīng)該用電子云來描述,電子的位置時(shí)隨機(jī)的,就連電子自己都不知道。我們只能用概率來描述。
不確定性原理還告訴我們,電子的位置和動(dòng)量是無法同時(shí)測(cè)得,觀測(cè)本身也會(huì)影響電子的運(yùn)動(dòng)情況。
后來,泡利提出了著名的泡利不相容原理,他認(rèn)為兩個(gè)完全相同的費(fèi)米子(電子就是一種費(fèi)米子)不可能處于相同的量子態(tài)。換句話說就是處于同一原子軌域的兩個(gè)電子必定擁有相反的自旋方向。泡利不相容原理的出現(xiàn),使得我們可以從量子論的角度去解釋元素周期律。
電子其實(shí)可以墜入原子核
也讓我們明白,為什么原子的第一個(gè)軌道只有2個(gè)電子,到了氦就要換行。根據(jù)泡利不相容原理和海森堡的不確定性原理,我們可以得出,存在一種電子簡并力,確保兩個(gè)電子不能同時(shí)占據(jù)相同的量子態(tài),說白了就是不能讓每個(gè)軌道的電子超過兩個(gè),電子簡并力可以說就是物質(zhì)能夠被壓縮的極限。這也是確保了電子不會(huì)墜入原子核內(nèi)的力。不過,如果是在大型天體發(fā)生超新星爆炸之后。
這之后,可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況,一種是中子星,一種是黑洞。
如果電子簡并力都無法對(duì)抗自身的引力,因此電子墜入了原子核內(nèi)部,這個(gè)時(shí)候,原子核內(nèi)的質(zhì)子變成中子跟電子中微子,這就成了一顆中子星。
這些其實(shí)是從海森堡的不確定性原理和泡利不相容原理的角度出發(fā),得到的結(jié)論,而實(shí)際的觀測(cè)結(jié)果也確實(shí)符合理論。
從能量的角度
但其實(shí),我們還可以再深入一點(diǎn),去思考中子,質(zhì)子,電子之間的關(guān)系。其實(shí)中子和質(zhì)子并不是基本粒子,因?yàn)樗鼈兝碚撋鲜强梢栽俜值?,它們都是由三個(gè)夸克構(gòu)成的。
但是構(gòu)成中子和質(zhì)子的夸克不太相同,這就使得中子的質(zhì)量和質(zhì)子的質(zhì)量是不同的。
根據(jù)愛因斯坦的相對(duì)論,質(zhì)量和能量是可以被統(tǒng)一起來看的,這就意味著中子的能量是要高于質(zhì)子的能量。不僅如此,即使是加上電子的質(zhì)量。中子的質(zhì)量也要高于質(zhì)子和電子質(zhì)量的總和,也就是說,中子的能量是要高于質(zhì)子和電子的能量總和。要知道能量都是由一個(gè)從高往低的趨勢(shì),這就好比水往低處流是一個(gè)道理。因此,在自然條件下,單獨(dú)的一個(gè)中子,在15分鐘左右就會(huì)變成一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子,并放出能量。
即使是在原子核內(nèi),也會(huì)發(fā)生類似的現(xiàn)象,也就是我們常說的衰變。
也就是說,在自然條件下,一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子是沒辦法變成一個(gè)中子的,除非由能量的輸入才有可能實(shí)現(xiàn)。
電子被原子核吸引具有電磁力勢(shì)能,電子繞核轉(zhuǎn)具有動(dòng)能。如果電子被核吸進(jìn)去,就要放出勢(shì)能。勢(shì)能必須轉(zhuǎn)化成電子動(dòng)能,電子的速度已經(jīng)接近光速,不能再提高了。所以繞核轉(zhuǎn)的電子,不具備有放出能量的條件。電子對(duì)核的電磁力勢(shì)能,不能轉(zhuǎn)化消耗,電子就不會(huì)被吸到核里面去。這就是元素原子保持穩(wěn)定的原因。
電子或原子核受到外力,電磁力或萬有引力作用時(shí),電子才會(huì)產(chǎn)生震蕩。產(chǎn)生變化電場同時(shí)出現(xiàn)變化磁場,放出電磁波,原子就發(fā)光。電子震蕩對(duì)核的勢(shì)能會(huì)產(chǎn)生周其性變化,這種變化是外力引起的,轉(zhuǎn)化成了電磁波。不是消耗電子對(duì)原子核的勢(shì)能,電子不會(huì)被吸到核里面去。
核聚變發(fā)生時(shí),是質(zhì)子受萬有引力作用,以震蕩方式靠近結(jié)合,生成新的原子核。放出伽馬射線,核外電子重新分配繞核轉(zhuǎn),也不會(huì)吸到原子核里面去。
只有恒星耗盡能量后,在恒星中心萬有引力產(chǎn)生巨大壓力,把電子壓到原子核的質(zhì)子上去。在這個(gè)時(shí)候,有條件放出極強(qiáng)電磁波。生成中子形成中子星。
答:因?yàn)樵诹孔恿W(xué)中,能量是一份一份的,這個(gè)條件限制了電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的軌道,使得一般情況下電子不會(huì)墜入原子核。
原子的經(jīng)典模型
1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)電子,經(jīng)典物理學(xué)對(duì)原子的模型,就是電子圍繞原子核運(yùn)行,電子帶負(fù)電,原子核帶正電,由庫侖力提供向心力。
根據(jù)經(jīng)典力學(xué)的描述,電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng),就會(huì)對(duì)外產(chǎn)生電磁輻射,使得電子損失能量,然后軌道降低,直到墜入原子核,經(jīng)過計(jì)算,該過程幾乎就是瞬間完成的,按照經(jīng)典力學(xué)的模型,原子幾乎不可能穩(wěn)定存在,這個(gè)問題一直困擾著物理學(xué)家們。
量子力學(xué)的描述
在一百多年前,經(jīng)典力學(xué)的科學(xué)家們不止遇到這么一個(gè)棘手的問題,其中德國科學(xué)家普朗克,為解決黑體輻射問題提出量子的概念,從此打開了量子力學(xué)的大門。
根據(jù)量子力學(xué)的描述,電子發(fā)射的能量是一份一份的,能量不可能無限細(xì)分,于是電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng),輻射的電磁波(光子)能量是受到限制的,這使得電子只能以特定的軌道圍繞原子核運(yùn)動(dòng),不會(huì)墜入原子核。
量子的提出,解決了經(jīng)典力學(xué)的很多問題,也徹底改寫了原子的物理模型,目前量子力學(xué)解釋電子繞核運(yùn)動(dòng)的是電子云模型,電子在當(dāng)前軌道附近出現(xiàn)的概率最大。
電子真的無法墜入原子核嗎?
當(dāng)然也有特殊情況,由于相對(duì)論速度是有限值,當(dāng)原子所處的能量態(tài)很高,超過了電子簡并壓力時(shí),電子也是可以墜入原子核的,此時(shí)電子會(huì)墜入原子核與質(zhì)子中和,形成不帶電的中子,并由中微子帶走一部分能量。
這種情況發(fā)生在中子星形成時(shí),恒星強(qiáng)大的引力超過了電子簡并壓力,然后由中子簡并壓力抵抗萬有引力,當(dāng)中子簡并壓力也無法抵抗引力時(shí),中子星會(huì)繼續(xù)塌縮成夸克星或者黑洞。
我的內(nèi)容就到這里,喜歡我們文章的讀者朋友,記得點(diǎn)擊關(guān)注我們——艾伯史密斯!
題主第二句,應(yīng)該是“原子核帶正電\",原子對(duì)外不顯正負(fù)電,只有在電離狀態(tài)下,對(duì)外顯正電,屬于失去核外電子的離子態(tài)。電子為什么沒有掉進(jìn)原子核?早期科學(xué)界曾經(jīng)認(rèn)為原子就如縮小的太陽系,電子繞原子核旋轉(zhuǎn),跟行星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)差不多,隨著核作用力和量子力學(xué)研究的深入,人們才認(rèn)識(shí)到原子跟太陽系的引力作用還是有區(qū)別的。磁力和引力的共性,是它們的力場都產(chǎn)生于宏觀物質(zhì)和微觀物質(zhì)的螺旋旋渦運(yùn)動(dòng),星系產(chǎn)生于星云的扁平螺旋旋渦里,科學(xué)家也稱電子為電子云霧,說它們都是旋渦體系,是符合物質(zhì)宇宙構(gòu)造宏觀和微觀物質(zhì)個(gè)體規(guī)律的,太陽系的引力平衡態(tài),與原子的能量磁力平衡態(tài),從力學(xué)原理上講,還是沒有本質(zhì)區(qū)別的,量子的能量包,其一份一份性,就是螺旋旋渦的周期性,螺旋運(yùn)動(dòng)都是滿一個(gè)周期,才能進(jìn)入下一個(gè)周期,螺旋結(jié)構(gòu)物質(zhì)的周期性,決定了量子整體份量,就像螺旋圓周運(yùn)動(dòng)不會(huì)以二分之一三分之一進(jìn)入下一個(gè)周期,能量子也不會(huì)以幾分之幾釋放,而是以波包的形式存在,波就是螺旋的變形形式,分析這些,講的都是微觀宏觀的共同之處,科學(xué)家追求大統(tǒng)一,應(yīng)從宇宙物質(zhì)的螺旋運(yùn)動(dòng)和螺旋結(jié)構(gòu)去考慮,電子的能級(jí)跟行星的軌道有何異同,是可以搞清楚的。一點(diǎn)淺見,歡迎閱者雅正!
謝謝邀請(qǐng)!這一問題應(yīng)該說是無解的,如您所說:電子帶負(fù)電荷,原子核帶正電荷,按現(xiàn)在解釋應(yīng)該是正負(fù)相互吸引,原子是應(yīng)該塌縮,但是實(shí)際是我們的世界依然五彩繽紛,又有運(yùn)動(dòng)一說,那運(yùn)動(dòng)的力量從哪里來,所有的電子都是永動(dòng)機(jī)嗎?還有分層排布,兩個(gè)電子占一個(gè)軌道的理論,兩個(gè)帶負(fù)電荷的電子在同一條軌道上,如何相安無事,這時(shí)是處于基態(tài)的,基態(tài)時(shí)電子是運(yùn)動(dòng)的還是不運(yùn)動(dòng)的,不運(yùn)動(dòng)的瞬間就塌縮了,如果運(yùn)動(dòng)各層的電子以什么方式互動(dòng),像死亡球一樣?能量來自哪里,我覺就得我們對(duì)原子的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)還沒有弄清楚,盧瑟福的實(shí)驗(yàn)只能證明原子由很小的原子核和電子組成,原子核和電子受力后運(yùn)動(dòng)方向不同,這里有三組射線,現(xiàn)在只知道了兩組,另一組仍以射線解釋,我想這不免有些牽強(qiáng),伽馬射線一定是一個(gè)我們還沒有認(rèn)知的粒子(本人猜測(cè)),他受電和磁的干擾較小,但是這些基礎(chǔ)性的東西現(xiàn)在沒人研究了,一量子以蔽之,都解決了。
電子沒有體積與質(zhì)量,怎么會(huì)掉入原子核中。
電子是能量,是依賴于金屬態(tài)氫離子而存在的電磁波;電流是磁場里光速震蕩的金屬態(tài)氫離子“磁力矩”相互切割聚合形成新物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的電磁波(熱核反應(yīng)形成沖擊波)。
宇宙射線或?qū)w切割磁力線產(chǎn)生金屬態(tài)氫離子,金屬態(tài)氫離子自旋的“磁矩”與“被切割磁力線”相互作用,這就是所謂的“能量”——光。
電子的能級(jí)或軌道是金屬態(tài)氫離子光速自旋產(chǎn)生的“磁力矩”。“北極光”就是太陽射線產(chǎn)生的金屬態(tài)氫離子定向北移與地球磁力線相互切割產(chǎn)生的能量。
在不少的原子示意圖中,正如行星環(huán)繞太陽旋轉(zhuǎn)一樣,電子也在環(huán)繞原子核旋轉(zhuǎn)。這種原子模型由盧瑟福在1911年提出,又被稱為原子行星模型。
考慮到行星和太陽之間有引力作用,引力剛好充當(dāng)行星公轉(zhuǎn)的向心力,所以行星不會(huì)掉進(jìn)太陽中。同樣地,帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核之間存在庫侖力作用,庫倫力剛好充當(dāng)電子公轉(zhuǎn)的向心力,所以電子不會(huì)掉進(jìn)原子核中。
然而,這種原子模型其實(shí)是完全錯(cuò)誤的。那么,現(xiàn)代物理學(xué)又是如何解釋電子不會(huì)掉進(jìn)原子核中呢?
原子行星模型的起源
原子行星模型的起源是因?yàn)橐蛶靵隽Φ南嗨菩?。根?jù)牛頓引力定律,兩個(gè)質(zhì)量之間的引力表達(dá)式為:
其中m1和m2表示物體的質(zhì)量,r表示兩個(gè)物體質(zhì)心的距離。
根據(jù)庫侖定律,兩個(gè)帶電粒子之間的庫侖力的表達(dá)式為:
其中q1和q2表示帶電粒子的電荷量,r表示兩個(gè)帶電粒子之間的距離。
然而,與行星不同的是,電子是帶電的。自19世紀(jì)中葉以來,物理學(xué)家就知道,經(jīng)歷加速(速度和方向的改變)的電荷會(huì)發(fā)出電磁輻射(光子),在這個(gè)過程中會(huì)損失能量。
一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電子會(huì)把原子變成一個(gè)微型的無線電臺(tái),它的能量輸出是以電子的勢(shì)能為代價(jià)的。根據(jù)經(jīng)典力學(xué),隨著能量的不斷損失,電子將會(huì)螺旋進(jìn)入原子核中,原子會(huì)坍縮。
量子理論來拯救
到了20世紀(jì)20年代,隨著量子力學(xué)的發(fā)展,物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到,像電子這樣的微小物體不能被看作具有一定位置和速度的經(jīng)典粒子,我們只能知道電子在空間中任何一點(diǎn)出現(xiàn)的概率。根據(jù)量子力學(xué),越靠近原子核,電子出現(xiàn)的概率越高。
上圖為離原子核不同距離的單位體積空間內(nèi)的電子電荷量,這就是所謂的概率密度圖或者電子云。越靠近原子核的地方,單位體積空間內(nèi)的電子數(shù)增長得非???。從這個(gè)角度看,電子似乎確實(shí)落入了原子核中。
“無限之戰(zhàn)”把電子從死亡螺旋中拉回來
雖然電子的勢(shì)能會(huì)隨著它向原子核力場的移動(dòng)而變得更負(fù),但它最終會(huì)趨于負(fù)無窮。然而,由于總能量保持不變,勢(shì)能的損失由電子動(dòng)能的增加來補(bǔ)償,動(dòng)能的增加決定了電子的動(dòng)量和有效速度。
因此,當(dāng)電子無限接近原子核時(shí),它的勢(shì)能會(huì)下降到負(fù)無窮,而它的動(dòng)能則會(huì)上升到正無窮。這場“無限之戰(zhàn)”雙方都無法獲勝,而是達(dá)成了一個(gè)平衡。勢(shì)能的下降只是動(dòng)能的兩倍,電子以與玻爾半徑相對(duì)應(yīng)的平均距離而運(yùn)動(dòng)。
不確定性原理
不過,這種描述還有一個(gè)問題。根據(jù)不確定性原理,像電子這樣小的粒子既不能被認(rèn)為具有確定的位置,也不能被認(rèn)為具有動(dòng)量。海森堡認(rèn)為,諸如電子這樣的量子粒子的位置或動(dòng)量可以被精確地知道,但隨著其中一個(gè)量被精確地測(cè)定,另一個(gè)量的值會(huì)變得越來越不確定。這不僅僅是一個(gè)觀察困難的問題,而是一個(gè)自然的基本屬性。
這意味著在原子的微小范圍內(nèi),電子并不能被認(rèn)為是一個(gè)具有確定動(dòng)量和位置的“粒子”。因此,“電子落入原子核”的說法從一開始就是錯(cuò)誤的。
電子帶負(fù)電荷,原子帶正電荷,為什么電子不會(huì)掉入原子核中?
這可能是很多朋友搞不清楚的問題!按一般意義上理解,正負(fù)電荷會(huì)互相吸引之后逐漸靠攏,并最終合為一體,無論是引力還是電磁力或者弱力與強(qiáng)力,都是這個(gè)結(jié)果!而正負(fù)電荷屬于電磁力,為什么電子還有自己的獨(dú)特的軌道?為什么還沒有墜入原子核?
我們先簡單介紹下原子的模型,現(xiàn)代原子模型是薛定諤的量子力學(xué)即電子云模型,原子核在中心,而電子則以電子概率云模式出現(xiàn)在原子核周圍!而電子的軌道描述的只是電子并不是隨機(jī)出現(xiàn)的,而是在它的軌道上(能級(jí))上隨機(jī)出現(xiàn)!
一、電子為什么會(huì)以軌道的概率云模式出現(xiàn)?
其實(shí)要解釋清楚這個(gè)問題必須要引入另一位大神普朗克,因?yàn)樗谘芯亢隗w輻射時(shí)引入了量子的概念,他認(rèn)為能量都是一份份出現(xiàn)的!引入這個(gè)概念后完美的解決了紫外災(zāi)變,即在計(jì)算黑體輻射強(qiáng)度時(shí)用到的瑞利-金斯定律在輻射頻率趨向無窮大時(shí)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大相徑庭的有趣結(jié)果!這個(gè)結(jié)果告訴我們,能量并不是連續(xù)的!
而我們生活中的大部分能量來源或者媒介主要就是電子的電磁輻射,電子的能級(jí)(軌道)與輻射有這密切關(guān)系,輻射后的電子會(huì)跌落到能級(jí)比較低的軌道,因此這最小的一份份就決定了電子能級(jí)的軌道是突變的,而無法做一個(gè)連續(xù)的軌道能級(jí)升遷!
而電子的另一個(gè)特性則是動(dòng)量位置與動(dòng)量時(shí)間是無法同時(shí)確定的,這早已有海森堡不確定性原理為之背書,當(dāng)然沒法告訴各位這是為什么,量子世界有其獨(dú)特的運(yùn)行規(guī)則,就像真空中的光速為什么是299792458米/秒一樣!
二、為什么電子不會(huì)被原子核吸引?
要解釋這個(gè)問題得引入兩個(gè)概念
1、海森堡不確定性原理
2、泡利不相容原理
海森堡不確定性原理上文已經(jīng)有簡單說明,這是量子世界遵循的第一定律,因此電子的運(yùn)行首先受到此定律影響,它不可能在無限靠近原子核的位置運(yùn)行,因?yàn)樵娇拷?,那么它的位置和速度就?huì)可能會(huì)被同時(shí)確定!
而另一個(gè)泡利不相容原理則是不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的粒子處于完全相同的狀態(tài),當(dāng)電子無限靠近原子核時(shí),就會(huì)出現(xiàn)這種狀態(tài)!
從這兩個(gè)原理來說,電子靠近原子核需要有強(qiáng)大的能量或者壓力支撐,因?yàn)椴淮_定性原理與泡利不相容原理,使得看起來電子是墜入原子核,但其實(shí)卻是爬上一座難以逾越的高山!
三、電子可以“墜入”原子核嗎?
當(dāng)然可以,白矮星物質(zhì)的狀態(tài)就是電子留在原子核外的最后倩影!因?yàn)樵偻耙徊骄褪请娮訅嬋朐雍顺膳c原子核中的質(zhì)子中和成了中子,此時(shí)不再有電子,也不再有質(zhì)子,有的只是被中微子帶走的能量和留下的中子!
只有有足夠大的引力,啥事不會(huì)發(fā)生呢?甚至一直可以坍縮到黑洞!
因?yàn)槟芰渴睾阍谄鹱饔?,下降意味速度的提高,速度的提高反過來又上升,這個(gè)負(fù)反饋過程達(dá)成穩(wěn)定。
電子繞原子核轉(zhuǎn)那是經(jīng)典量子力學(xué),老黃歷了,現(xiàn)代量子力學(xué)認(rèn)為,它蹦,按概率在一個(gè)地方消失瞬間在另一個(gè)地方出現(xiàn),沒有時(shí)間間隔。維持物質(zhì)存在的有四種基本力,強(qiáng)力,弱力,電磁力,引力……一般人知道科普級(jí)別可以了,想要真明白需要大神級(jí)別的大腦,推薦給你一本《上帝擲骰子了嗎?》
會(huì)滴,中子星和黑洞里就是醬紫的
謝邀!
這個(gè)題目是否可以這樣回答,一般情況下不可能掉入,特殊情況下才會(huì)走到一起。
不會(huì)掉入理由是,電子離開原子核很遠(yuǎn),它的動(dòng)能又很小。就是加它與質(zhì)量之間的庫倫力,仍不足以敲開原子核。因此也不存在電子不斷損失能量降低軌道,掉入原子核的問題。
特殊情況下會(huì)進(jìn)入。譬如,超新星爆炸時(shí),其核心的巨大壓力,能使電子壓入原子核。請(qǐng)指正。
問題應(yīng)該修正一下“'電子帶負(fù)電,原子核帶正電,為什么電子不會(huì)掉入原子核中”。
湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子之后就在考慮原子的結(jié)構(gòu)問題了。當(dāng)時(shí)知道原子呈電中性,而電子帶負(fù)電,則必須有帶正電的“東西”,他根據(jù)原子這樣的特點(diǎn)提出“棗糕模型”,即電子像棗子一樣鑲嵌在蛋糕上。
后來,盧瑟福通過著名的“α粒子散射實(shí)驗(yàn)”否定了棗糕模型。盧瑟福提出,原子有一個(gè)很小但非常堅(jiān)硬且?guī)д姷暮?,電子繞著這個(gè)核圓周運(yùn)動(dòng)。盧瑟福提出的模型結(jié)構(gòu)我們稱之為核式結(jié)構(gòu)模型或行星模型。
不過這個(gè)模型也經(jīng)不起推敲,出現(xiàn)了解決不了的問題,最重要的一個(gè)問題就是“電子災(zāi)難”。
電子饒?jiān)雍藞A周運(yùn)動(dòng),按照電磁場理論,電子會(huì)不斷向外輻射電磁波,電子的能量會(huì)越來越少,最終掉到原子核中,這就是“電子災(zāi)難”。
玻爾為了解決這個(gè)問題,引入量子理論。他認(rèn)為,電子饒?jiān)雍藞A周運(yùn)動(dòng)的軌道是不連續(xù)的,分立的,也就是量子化的,電子在這些軌道上繞核的轉(zhuǎn)動(dòng)是穩(wěn)定的,不產(chǎn)生電磁輻射。
當(dāng)電子從能量較高的定態(tài)軌道(其能量記為Em)躍遷到能量較低的定態(tài)軌道(能量記為En,m\u003en)時(shí),會(huì)放出能量為hν的光子(h是普朗克常量)。
不用說那么多,就一條:電子自旋是保證它在庫倫場中能量守恒的充分必要條件。迪拉克已經(jīng)明確告訴大家了:核外電子的哈密頓量必須有半自旋才能守恒。什么電子云、什么電子是波包,都是胡扯八道。
如果電子能掉進(jìn)原子核,那恭喜發(fā)財(cái)!!核聚變差不多就成功了.
因?yàn)楫?dāng)電子掉進(jìn)原子核,核子就能變成電中性的核子,核子沒有了強(qiáng)正電場排斥,不用高溫也能碰到一起發(fā)生核聚變反應(yīng),釋放出強(qiáng)大的能量.
許多人拿出一大堆理論去解釋電子為什么不會(huì)掉進(jìn)原子核,什么海森堡不確定性原理,泡利不相容原理…,其實(shí)同它們沒有一點(diǎn)關(guān)系.
至于電子為什么不會(huì)掉進(jìn)原核子,我也不說,因?yàn)檫@個(gè)理論可用于制造中溫核聚變反應(yīng),當(dāng)然實(shí)際制造技術(shù)難度還是比較高,但比現(xiàn)有的核聚變裝置技術(shù)難度要低很多.
你未發(fā)現(xiàn)社會(huì)上女人壽命比男人長嗎?女為負(fù)男為正,女人氣質(zhì)長于男人,都是男人死先。所以待電子耗盡能量之時(shí)質(zhì)子早都死了。
電子不會(huì)掉入原子核,是因?yàn)殡娮拥牟▌?dòng)性決定的。根據(jù)量子力學(xué)原理,電子具有波動(dòng)性,并且波長與電子的動(dòng)量成反比,電子的動(dòng)量(即速度)越小電子的物質(zhì)波波長就越大(即占用的空間就越大),這就是鼎鼎大名的不確定關(guān)系(舊稱測(cè)不準(zhǔn)原理)。根據(jù)這個(gè)關(guān)系,由于運(yùn)動(dòng)速度與占據(jù)空間互相牽制,當(dāng)電子在原子核形成的勢(shì)阱中,電子動(dòng)量只能以分立的值存在,同時(shí)電子占據(jù)的位置也只能是對(duì)應(yīng)的分立的存在,即為所謂的能級(jí)。這個(gè)關(guān)系也決定了電子無法無限接近原子核,想象當(dāng)電子速度不夠快,被原子核吸得掉進(jìn)去的時(shí)候,由于不確定關(guān)系,電子存在的空間會(huì)遠(yuǎn)大于原子核,所以原子核抓不住電子。這種競爭關(guān)系使得電子圍繞原子核轉(zhuǎn)的時(shí)候有最低的能態(tài)存在,而不能無限靠近原子核。
1.現(xiàn)今我們對(duì)原子核與電子的描述,都是給的平面圖形,是一種理想的情形。
2.但是電平衡,是一種事實(shí),否則雜亂無章,怎么對(duì)它進(jìn)行研究。
3.既然我們稱原子核必將有一個(gè)想象的外層包裹,電子又為什么非要進(jìn)入核內(nèi),豈不是核成了多于無用之物了嗎?
地球?qū)ξ覀冇形?,我們就?yīng)該都地心才對(duì)。事實(shí)卻不是。
4.科學(xué)可以是從假設(shè)開始研究的。物理中講質(zhì)點(diǎn),是有質(zhì)量沒有體積,誰能解釋,無稽之談;直線沒有端點(diǎn),要它有何用。材料是均勻的,我們幾時(shí)看到有一種有形的材料,受到破壞力,成為細(xì)小的粉末,那么多細(xì)小才算數(shù),也全是無一定論。
5.人類社會(huì)的發(fā)展,無不是有了意識(shí),開始研究、實(shí)驗(yàn)、總結(jié)得到的。
總之,本來模糊的,為什么刻畫是是非是,做無功之勞呢?!
電子的運(yùn)動(dòng)方向與電荷運(yùn)動(dòng)的方向相反,電子、電荷因引力牽引的作用。
誰說不會(huì),中子星和黑洞就會(huì)
這個(gè)問題可利用不確定性原理加以理解。不確定性原理是一條深邃的原理,物質(zhì)世界的許多基本秩序都由該原理確定。該原理聲稱,某對(duì)象的位置變化量與動(dòng)量變化量的乘積不能無限小,并且不小于某一微小的常數(shù)。比如在x方向上的具體表現(xiàn)是Δx.Δpx≥h/2π,h是普朗克常數(shù)。就是說,把一個(gè)對(duì)象越局限狹小的區(qū)域內(nèi),這個(gè)對(duì)象就越需要一個(gè)較大的動(dòng)量與其匹配,即Δx減小會(huì)導(dǎo)致Δpx增大。有了這些觀念就可以估計(jì)一下原子應(yīng)該具有的尺度。以氫原子為例,設(shè)電子出現(xiàn)在原子核(質(zhì)子)周圍半徑為Δr的球形區(qū)域內(nèi),在x方向電子至少應(yīng)具有動(dòng)量Δpx=h/4πΔx,同理電子在y,z方向的動(dòng)量最小值分別是,Δpy=h/4πΔy,Δpz=h/4πΔz。電子相應(yīng)的動(dòng)能
Ek=(Δp)2/2m≈9h2/(32π2mΔr2)
≈8.6×10^-20/(Δr)2eV.
而電磁力能夠提供的靜電勢(shì)能
Ep=e2/(4πε0Δr)≈1.4×10^-9/Δr.
基于上述分析,如果電子被原子核俘獲,其位置范圍需要在Δr=10^-15m尺度,對(duì)應(yīng)的動(dòng)能Ek=86GeV,而靜電勢(shì)能Ep=1.4MeV,比動(dòng)能小了4個(gè)數(shù)量了??梢娍吭雍伺c電子之間的靜電吸引是無法將電子束縛在原子核尺度內(nèi)的。如果將電子的范圍束縛在原子尺度內(nèi),即Δr~0.5×10^-10m,則電子動(dòng)能與勢(shì)能具有相同數(shù)量級(jí)。所以原子具有10^-10m尺度是合理的,也是必然的,因?yàn)闃?gòu)成原子的基本作用是電磁力。
原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及物理特性并不同于我們所在的宏觀世界,那里的一切都被量子力學(xué)統(tǒng)治著!
事實(shí)上,在人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的研究過程中,確實(shí)有問題中這樣的疑問,電子帶負(fù)電,原子核正電,它們應(yīng)該相互吸引到一起!同時(shí),理論上電子在運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)因?yàn)橄蛲廨椛潆姶挪ㄊツ芰繅嬋氲皆雍酥?,但這種情況并沒有發(fā)生!
這是為什么?
量子力學(xué)奠基人之一的波爾給出了自己的解釋。電子遠(yuǎn)不是像宏觀中的地球那樣圍繞太陽旋轉(zhuǎn),而是必須在一定的能級(jí)軌道上運(yùn)動(dòng),而且電子因運(yùn)動(dòng)的改變輻射的電磁波也不是連續(xù)的,這注定了電子不能隨意改變軌道!
改變的軌道也可以叫做“能級(jí)”,如果電子向外輻射的電磁波能量不是兩個(gè)能級(jí)差,就會(huì)禁止向外輻射電磁波,于是電子就穩(wěn)定在某一個(gè)能級(jí)(軌道)!
而現(xiàn)在我們知道,電子在原子核外圍其實(shí)是以概率的方式出現(xiàn)的,它沒有固定的軌道,會(huì)非常隨機(jī)地出現(xiàn)在原子核外面,只不過出現(xiàn)在原子核附近的概率更好,這與量子力學(xué)的不確定性有關(guān)!
所以,不要再認(rèn)為原子結(jié)構(gòu)與太陽系結(jié)構(gòu)很相似了,事實(shí)上兩者一點(diǎn)也不像!
是因?yàn)槟鞘嵌€(gè)空間的結(jié)合,雖然在我們看來那是個(gè)正電荷,而實(shí)際上它是一個(gè)磁荷,而負(fù)電荷進(jìn)入原子也會(huì)變成磁荷,所以兩者是兩個(gè)空間的中荷,而不會(huì)掉入原子核內(nèi)。
我們知道,天上的衛(wèi)星在繞地球轉(zhuǎn)時(shí),由于受到高空稀溥的空氣阻力,它的高度隨著時(shí)間增加而降低。這時(shí)候,啟動(dòng)衛(wèi)星上的發(fā)動(dòng)機(jī),衛(wèi)星重新回到它原來的位置。而原子里帶負(fù)電的電子,在繞原子核旋轉(zhuǎn)時(shí),原子核周圍也有其它粒子。因?yàn)?,科學(xué)家可以利用儀器剝?nèi)ピ雍送獾碾婃荩沟迷雍酥車幱谄渌肿?,粒子的包圍之中。所以,原子核周圍有粒子的存在。因?yàn)椋魏挝镔|(zhì)都是由更微小的微粒構(gòu)成的,而且,微粒之間都有空間。由于電子太微小,這些空間對(duì)于電子來說就是太巨大了,電子太微小了,相對(duì)來說,電子在運(yùn)動(dòng)過程中,不會(huì)與其它粒作用或碰撞而失去能量,而是電子在運(yùn)動(dòng)中容易獲得空間中的光子能量,克服原子核的電場勢(shì)能,運(yùn)動(dòng)到離原子核較運(yùn)的軌道上繞核運(yùn)動(dòng)而使電子自身的結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定,然后,丟失光子能量,而后自身能量減小,而電子又回到原來離原子核較近的軌道上繞核旋轉(zhuǎn)。而后不久又會(huì)重復(fù)著前面一樣的過程。因?yàn)椋钪嬷腥魏挝镔|(zhì)都有輔射,充滿宇宙的光子,總有不時(shí)出現(xiàn)大量的符合某些電子的光子特性存在而被電子吸收獲得能量。所以,電子是不會(huì)被吸收到原子核上的。而宏觀宇宙中,只要超過一個(gè)半太陽大的恒星晚年大爆炸后,原子核外電子被壓到原子核的質(zhì)子中而產(chǎn)生了宇宙中的中子星,中子星的轉(zhuǎn)速極高,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,它的兩極輔射也穩(wěn)定,所以,探測(cè)宇宙,就用中子星導(dǎo)行,這是最佳選擇,而且,我國的火星深空探測(cè),已經(jīng)用到了這項(xiàng)技術(shù)。
把微觀世界放大,地球也許就是繞著太陽的一個(gè)電子。
拋開量子理論不說,先解釋解釋,月球?yàn)槭裁醇炔浑x開地球太遠(yuǎn),也不會(huì)掉到地球上。
既然沒有被吸進(jìn)去,那就要承認(rèn)這個(gè)事實(shí),且轉(zhuǎn)換個(gè)新的思路。比如說,電子不是被吸在質(zhì)子周圍,而是因?yàn)橹車臻g有種看不見的東西,排斥質(zhì)子與電子這個(gè)類型的物質(zhì),因而把電子困在質(zhì)子周圍。
我挑重點(diǎn)的說,電子之所以不容易掉進(jìn)原子核,是由于泡利不相容原理的限制,強(qiáng)大的泡利排斥能阻礙它們靠近,但凡事都不是絕對(duì)的,如果外力大于這個(gè)排斥力,就會(huì)把電子壓進(jìn)原子核中,電子和質(zhì)子中和,就會(huì)形成中子星。
質(zhì)子對(duì)于電子,電子是塵士零,電子對(duì)于質(zhì)子是一臺(tái)取之不盡用之不完永恒平衡自己能量生理的發(fā)動(dòng)機(jī)。就象人在地球生存地球給與人生理磁場能量生存一樣。
這個(gè)問題其實(shí)很簡單。
根據(jù)場子論的觀測(cè)效應(yīng)和轉(zhuǎn)化效率可知,當(dāng)電子沖向原子核時(shí),電子速度增加,單位時(shí)間輻射到電子的場子增加,超過電子轉(zhuǎn)化場子的能力,場子被反彈。如果電子速度繼續(xù)增加,那么被反彈的場子越來越多,從而使引力變斥力。
另外,實(shí)際上,原子核是不斷震動(dòng)的,加上原子核與電子之間的斥力,電子永遠(yuǎn)都到不了原子核。
想要電子運(yùn)動(dòng)到原子核,需要減弱原子核的震動(dòng)。
在垂直方向,電子受到核吸引的問心力與電子圍繞核運(yùn)動(dòng)的離心力是相等的,相當(dāng)于重直方向不受力;電子在作園周勻速運(yùn)動(dòng),也不受外力作用,可以看作用于電子的力是0,相對(duì)于核來說,電子只存在勢(shì)能,相對(duì)位置不改變,勢(shì)能是不會(huì)消失的。這是老夫,一退休醫(yī)生的理解,望賜教!
這不是不消耗能量,而是消耗的能量等于增加的能量!如果不用能量是不會(huì)繞著轉(zhuǎn),而這樣繞著轉(zhuǎn)也必須產(chǎn)生能量,所以速度所帶有的是慣性能量,而引力使慣性能量消耗的同時(shí)又增加了慣性速度的能量,所以實(shí)際上只會(huì)損耗引力的能量,因?yàn)橐Σ⒉皇强臻g扭曲或時(shí)空扭曲,它就是名符其實(shí)的能量,物質(zhì)固有能量,所表現(xiàn)出的就是能量!并且這種能量是會(huì)消耗物質(zhì)的,引力越大消耗的物質(zhì)越多!太陽所消耗的物質(zhì)有百分之一就是引力所消耗的!而光和熱又是引力所造成的壓力間接產(chǎn)生的!
宇宙一切存在都是即坍膨又膨脹糾纏體。坍塌,膨脹現(xiàn)象宇宙中無處不在,今天宇宙存在論也離不開坍塌,膨脹運(yùn)動(dòng)。那么我們把坍塌,膨脹定為宇宙第一性象,有趣是宇宙迷茫問題也就一一解釋。坍塌,膨脹是一體于運(yùn)動(dòng)的,它們是運(yùn)動(dòng)量化曲卷(弦,圈理論也隨之概括)糾纏重組表現(xiàn)宇宙存在正,負(fù)電性是由坍塌 ,膨脹不等集合表現(xiàn),這正,負(fù)永動(dòng)是不等量集合體不斷與外界交換之因。
目前物理界并沒有定論,最靠譜的答案是:
在一團(tuán)原子中,電子受所繞行的原子核的靜電引力不假,但它也同時(shí)會(huì)受到周圍原子核的引力,自己家的原子核引力不小,但周圍這么多原子核都會(huì)多多少少對(duì)它產(chǎn)生引力,這些大大小小的外加引力會(huì)和本家原子核的引力保持平衡狀態(tài),一旦哪個(gè)電子在運(yùn)行中距離原子核過近,外加引力會(huì)將其拉回平衡狀態(tài)下的軌道,使得電子在高速運(yùn)動(dòng)中可以同原子核維持距離大致相等的球形軌跡。
以上過程類似線性穩(wěn)壓電源或開關(guān)電源保持電壓穩(wěn)定的負(fù)反饋過程。
不止原子核和電子,行星和恒星間的引力關(guān)系也是如此,更為準(zhǔn)確的說法是沒有引力只有能量由高密度向低密度擴(kuò)散的壓力,詳細(xì)請(qǐng)持續(xù)關(guān)注本號(hào),純?cè)瓌?chuàng)理論,請(qǐng)勿抄襲引用轉(zhuǎn)載!
月球?yàn)槭裁淳筒槐坏厍蛭^來
說實(shí)在,我因?qū)W歷問題而不能給你講清楚。這個(gè)問題,在量子力學(xué)中的泡利不相容原理可以解釋。其根源是不確定性關(guān)系,也就是說兩個(gè)粒子不能同時(shí)具有相同的動(dòng)量與位置,否則會(huì)坍縮成一個(gè)濃稠的湯。因此,電子不會(huì)很快撞到原子核。詳細(xì)解釋自己百度一下,幫你只能幫到這了。
