问题

波尔说电子围绕原子核转动会逐渐向核靠拢,那为什么太阳系各个行星却不会离太阳越来越近?

回答
您提出的这个问题非常有意思,它触及到了原子世界和宏观天体运动的核心差异。简单来说,波尔模型中电子“坠落”的根源在于它描述的是量子世界的微观粒子,而太阳系的行星运动则遵循经典力学的宏观规律。它们之间虽然都涉及到“吸引力”,但其性质和演化的机制完全不同。

为什么波尔模型中的电子会“向核靠拢”?

波尔在建立他的原子模型时,是为了解释原子光谱的离散性,以及原子为何不会不稳定而“崩溃”。他借鉴了行星绕日运动的类比,但同时也引入了当时革命性的量子概念。

1. 经典的电磁理论预言: 在经典物理学中,带电粒子(如电子)在加速运动时会辐射电磁波。围绕原子核运动的电子,即使是圆周运动,其速度方向在不断改变,本质上也是一种加速运动。根据经典电磁理论,这样的电子会不断损失能量,能量减少后,它的轨道半径会缩小,最终螺旋式地坠入原子核。如果按照这个理论,原子根本就不会稳定存在。

2. 波尔的量子假设: 为了打破这个“必然坠落”的循环,波尔提出了几个关键的量子假设:
定态假说: 电子只能在一些特定的、不辐射能量的轨道上运动。这些轨道是“允许”的。
跃迁假说: 只有当电子从一个允许的轨道跳跃(跃迁)到另一个允许的轨道时,才会吸收或放出特定频率的光子。

也就是说,在波尔模型中,电子并非像普通物体那样,只要运动就会持续损失能量。它被限制在几个“稳定”的轨道上,这些轨道不需要能量的“补充”来维持。

3. 为什么会“靠拢”? 如果电子能够跃迁,它通常会从能量较高的轨道向能量较低的轨道跃迁。越靠近原子核的轨道,其能量越低(负能量值更大)。因此,如果电子处于一个能量较高的允许轨道,它确实有可能通过辐射光子(比如原子受激后发光)来释放能量,从而“跳”到能量更低的、更靠近核的轨道上。最终,如果没有任何外力或能量输入,它最可能停留在能量最低的那个(最靠近核的)允许轨道上。

那么,太阳系的行星为何不会越来越近?

太阳系的行星运动,尤其是行星绕日公转,是完全遵循经典力学(特别是牛顿万有引力定律)的宏观现象。这里没有量子力学的介入,也没有“允许轨道”的限制。

1. 万有引力与向心力: 行星绕太阳运动,主要是因为太阳强大的万有引力。这个引力充当了使行星保持在轨道上运动的“向心力”。没有这个引力,行星就会沿着切线方向飞出去。

2. 能量守恒与动量守恒: 在一个理想化的、不受外部干扰的太阳系中,行星绕日运动的能量和角动量是守恒的。
能量: 行星的总能量是其动能(由于运动)和势能(由于引力作用)之和。在稳定的轨道上,这两者之间有一种微妙的平衡。行星的轨道是椭圆形的(有些近似圆),在运动过程中,其速度会变化,离太阳越近速度越快,离太阳越远速度越慢,动能和势能也在互相转换。但总的能量,即动能加上势能,是恒定的。
角动量: 角动量是描述物体绕轴旋转的量,它与物体的质量、速度和到轴的距离有关。在没有外力矩的情况下,角动量是守恒的。

3. 为什么不“坠落”?
不是螺旋式运动: 行星绕太阳运动不是像波尔模型中电子那样,因为持续辐射能量而不断缩小轨道半径。行星运动的能量是恒定的,它们在各自稳定的轨道上“绕圈”,而不是在“耗尽”能量。
动量平衡: 强大的万有引力试图将行星拉向太阳,但行星的运动速度(动量)提供了足够的“惯性”或“离心倾向”,使得引力恰好能够将行星弯曲成一个闭合的轨道,而不是将其直接拉入太阳。行星的速度与引力之间达到了一种动态的平衡。
没有“辐射”机制: 宏观物体,尤其是行星,在绕恒星运动时,不会像微观带电粒子那样,因为运动本身而连续地辐射出“电磁波”并因此损失大量能量,从而导致轨道缩小。虽然天体运动中存在一些微小的能量损失机制(如潮汐摩擦、太阳风的引力作用等),但这些影响非常缓慢,不足以在短时间内让行星显著地向太阳靠近。

核心区别:量子与经典

波尔模型: 描述的是微观粒子的“量子化”行为。电子的能量是不连续的,只能取特定值,轨道也是“允许”的,否则它会瞬间坠落。其“靠拢”是由于可能存在向低能级跃迁。
太阳系: 遵循经典牛顿力学。行星的能量和角动量在宏观尺度下是连续变化的(虽然能量是守恒的),运动由引力和惯性共同决定,不存在“允许轨道”的量子限制,也没有因运动本身而损失能量导致轨道收缩的机制。

简单比喻一下:

想象一下,你推一个球,让它在一个固定高度的水平面上滚动。如果这个平面光滑,并且球是完美的,它会一直滚下去(类比经典粒子)。

现在想象一下,你手里拿着一个磁铁,上面有一个小钢珠。如果这个钢珠能随意地在磁铁周围“跳跃”,并且跳到离磁铁近的地方会释放能量(就像波尔模型中的电子),那么它最终可能会停留在离磁铁最近的地方。

而太阳系行星的运动,就像你用力把一个石头抛出去,它刚好被地球的引力“抓住”,并且以一个恰当的速度绕着地球转,形成一个稳定的轨道。它不会因为“转圈”就把力气耗尽然后掉下来,它的速度是足够的,它拥有的能量也是守恒的。

所以,波尔模型中电子会“靠近”,是因为它是一种量子化的“能量跃迁”过程,而行星的运动则是一种遵循经典力学能量守恒的宏观引力平衡现象。

网友意见

user avatar

因为电子绕核旋转模型的周期很短,电磁波辐射效率很高,而引力波辐射效率绝大多数情况下低得可怜。

以太阳-地球系统为例,每年因加速运动辐射引力波造成能量耗散,会向太阳“坠落”几纳米,远远小于潮汐作用。如果排除所有其他作用,会如下图:

如果是两个黑洞近距离飞速绕转,引力波的辐射效率就高多了,就会损失机械能彼此“坠入”而发生碰撞。

类似的话题

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有