原子核带正电，电子带负电，为什么电子不会掉到原子核内？
路平2019-09-10 13:32
#了不起的基础科学#
我想大家都对中学学到的原子结构很熟悉，也就是说原子内有个原子核，核外有电子绕着原子核转，而原子核内还有质子和中子。原子核是带正电的，而电子是带负电。
我们都知道同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。原子核和电子是异种电荷，为什么不会相互吸引？
原子结构的发展
100多年前，这个问题同样困扰着很多科学家。最早提出原子模型的是汤姆孙，他提出了枣糕模型，在这个模型中：
原子是球形的，正电的物质均匀分布于球体内，而带负电的电子一颗一颗地镶嵌在球面上。
后来，他的学生卢瑟福也提出了一个原子模型，这个模型电子是在原子核核外做圆周运动的，这也被我们称为行星模型。但这个模型有个致命问题，根据麦克斯韦电磁学理论，电子最后还是要被镶嵌到原子核上，简直就是变种的枣糕模型。
再到后来，卢瑟福有个学生叫做波尔，它为了解决这个问题，提出了另外一个原子模型，我们可以叫做太阳系模型。他认为原子内部就像是太阳系一样，原子核就好比太阳，而电子就像行星一样，有一个个轨道，它们在轨道上运动。但是这个模型也不行，因为理论虽然漂亮，但是用到氦元素原子时，就不太灵了。
最后，解决问题的是波尔的学生海森堡，他提出了不确定性原理。在这个理论中，电子在原子核外，呈现电子云的形式。
但问题来了，这样就真的确保了电子可以不掉落到原子核内么？
水往低处流
实际上，你听到这里，还是觉得不太靠谱了。实际上，还存在着两个原因。我们先来说的一个，我们都知道，水是往低处流的。这种现象并不是偶然，说白了它是能量最低原理造成的。万物都是“懒”的，都有个趋势，从能量高的地方往能量低的地方去。那这和这个问题有什么关系呢？
如果电子掉落到原子核内，电子会和质子反应，生成一个中子。（这个过程还会中微子的出现，不过由于中微子质量特别特别小，不影响最终结果，因此，我们就不把它算在内）
那问题来了，这个反应能自发进行么？
实际上并不能，核心原理就在于
“电子+质子的总能量”＜“中子的能量”
可能你要问了，它们不都是是物质粒子么？为什么还会有能量这说法？
这就要说到爱因斯坦的质能等价了，这个理论告诉我们一个道理，那就是质量和能量其实是一个东西的两个体现，质量里是有能量的，能量里是有质量的。它们是相互对应的关系，具体的对应就是E=mc^2。因此，我们可以得到微观粒子的能量。
电子的能量是：0.510 MeV质子的能量是：938.272 MeV中子的能量是：939.565 MeV因此，电子和质子的总能量就是0.510 MeV+938.272 MeV=938.782 MeV，这个能量要小于中子的能量。因此，电子和质子并没有办法自发反应，除非有能量的输入。
相反，正是由于中子的能量要大于质子和电子的能量，中子在弱相互作用下，是有一定概率发生衰变，成为一个质子和电子的，这就要远比质子和电子反应生成中子容易的多。
这里，我们再多补充一句，之所以会这样中子的质量（能量）要略大于质子质量（能量），更本质的原因在于构成它们的夸克的种类不一样。
质子是由2个上夸克、1个下夸克构成的；中子是由1个上夸克、2个下夸克构成的。而下夸克的质量是不同于上夸克的，这才导致了质子和中子的质量有些许不同。（下表中，每个格子的左上角第一行就是质量栏）
泡利不相容原理
除了上文说到的问题之外，还存在一个阻拦电子进入原子核的关卡，我们可以理解成一种规则，这个规则就叫做泡利不相容原理。
这就是科学家泡利通过分析实验结果得到的一个理论，具体的表述是，
两个全同的费米子不能处于相同的量子态。（常见的费米子就有电子和夸克）
下图中，左侧这三列内的粒子就是费米子。（当然，还不止这些，像质子和中子也是费米子。）
这定义看起来很唬人，不过你可以大致理解成电子也是需要排座次的，也讲究先来后到，相同状态的电子不能有第二个一摸一样的。这就导致，电子在原子核外要好好排排坐，能都往靠近原子核的方向去挤。
于是，由于泡利不相容原理的存在，就会产生一种量子效应，叫做电子简并态，它们会产生向外的压力，来抵抗把电子往原子核内压的力。
在宇宙中有一种恐怖的天体叫做中子星，它们就是因为电子简并态没有扛住自身的引力，所以，电子就被压到了原子核内。但是中子也有简并态，中子的简并态抵抗住了自身引力。但更为恐怖的黑洞，就是连中子的简并态都没抵抗住自身引力。
最后我们来总结一下，电子和质子的总能量要小于中子的能量，根据能量最低原理，电子和质子不能自发的发生反应。同时，又因为电子简并态的存在，它可以抵抗外来的压力把电子压入原子核内。这是由于两个原因，保证了电子不会掉入到原子核内。
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