问题

电子为什么不会落向原子核呢?

回答
我们都知道,电子是带负电的,而原子核是带正电的,根据“同性相斥,异性相吸”的电磁规律,电子应该会被原子核强烈吸引,按理说它们会紧紧地“抱”在一起,就像磁铁的两极一样。可事实是,电子并没有直接“掉进”原子核里。这背后其实隐藏着一些非常深刻且与我们日常经验大相径庭的物理规律。

首先,要明白一点,原子不是一个简单的“太阳系模型”。虽然我们经常用行星围绕太阳转来比喻电子围绕原子核运动,但这只是一个非常粗糙的类比。真正的原因要追溯到量子力学。

1. 原子核的“引力井”和电子的“能量轨道”

原子核就像一个巨大的“引力井”,它用强大的正电荷产生的电场力吸引着带负电的电子。如果这是一个宏观的物体,比如一个行星,它确实会被引力拉向另一个更重的物体,然后绕着它转,或者在能量足够的情况下直接撞上去。

但是,电子不是一个普通的微观粒子,它拥有一些我们熟悉的宏观物体不具备的特性。最重要的一点是,电子在原子核的吸引下,并不像一颗行星那样可以随意在任何能量状态下存在。它只能占据特定的“能量轨道”或“能级”。你可以想象成原子核周围有好几个层层叠叠的“电子高速公路”,电子只能在这几条公路上行驶,而不能在公路之间随意穿梭或者停留在公路中间。

2. 量子化:能量不是连续的

这是最关键的区别。在宏观世界里,能量是连续的,一个物体可以拥有任意大小的动能和势能的组合。但到了微观世界,能量是被“量子化”的,也就是说,它只能取一系列离散的数值。就像你上楼梯,你只能站在台阶上,而不能悬空停在台阶之间一样。

电子在原子核的电场作用下,它所能拥有的能量也只能是这些特定的、离散的数值。而最低的那个能量轨道,也就是我们常说的“基态”,电子就已经拥有了一定的动能,它不是静止的。

3. 电子的“动”与“不坠”

那么,为什么电子在最低能量轨道上也“不落向”原子核呢?这里面有两个层面的解释,一个是基于经典物理的思考方式,另一个是更准确的量子力学解释。

从经典物理的思考角度(但要注意,这不足以完全解释):如果我们硬要用经典物理来想象,电子在原子核的吸引下绕着原子核运动,就像行星绕着太阳转一样。在这种轨道运动中,电子会有一个指向原子核的向心力(就是电场力),同时它自身也具有一定的速度,产生一个向外的惯性离心力。如果这两个力能够恰好平衡,理论上就可以维持一个稳定的轨道。但问题在于,根据经典电磁理论,加速运动的电荷(比如绕着原子核转的电子)会不断地辐射电磁波,失去能量。失去能量的电子就会螺旋式地向原子核靠近,最终坠入原子核,这个过程会非常快。然而,现实中的原子是稳定存在的,这说明经典物理在这里失灵了。

量子力学的解释(更准确的答案):量子力学告诉我们,电子并不是一个在轨道上绕着原子核“跑”的经典粒子。它更像是一个“概率云”,在原子核周围的某个区域内以一定的概率分布存在。更具体地说,电子的运动状态由一个叫做“波函数”的数学量来描述。这个波函数包含了电子的能量、动量等信息。

电子在原子核的电场作用下,其波函数会形成驻波的形式,就像拨动琴弦发声一样,只有特定的频率(对应特定的能量)才能形成稳定的驻波。这些驻波就对应着电子的各个能量轨道。

关键在于,即使在最低能量的那个轨道上,电子的波函数也并不是集中在原子核上。它在原子核周围形成了一个“概率分布”,有一个不为零的概率会让电子出现在离原子核有一定距离的地方。这个波函数的特性,实际上意味着电子拥有一定的“不确定性”和“动量”。

海森堡不确定性原理在这里也扮演了重要角色。这个原理告诉我们,我们不可能同时精确地知道一个粒子的位置和动量。如果我们想让电子更靠近原子核(也就是缩小它位置的不确定性),那么它的动量不确定性就会增大,意味着它的速度会变得更快,动能也会增加。要让电子待在原子核附近,它需要极大的动能来“抵抗”被束缚住。而原子核的最低能量轨道,已经是在考虑了电子的动能和与原子核的势能后的最低可行状态。电子没有理由去动用更大的能量让自己更接近原子核,因为那不是它在该能量状态下的“稳定”选择。

简单来说,电子在原子核周围运动的最低能量状态,本身就不是一个“贴着原子核的静止状态”。它拥有的最低能量就足以让它保持一定的“离心效应”或者说“扩散趋势”,防止它完全坍缩到原子核上。

4. 电子的“波粒二象性”

我们也要记住电子的波粒二象性。电子既表现出粒子的性质(有质量,带电荷),也表现出波的性质。当它表现出波的性质时,它的运动就不是沿着一条确定的轨迹进行的,而是以一种波动的形式弥漫在原子核周围的空间。这种波动性本身就赋予了它一定的“延展性”,阻止它像一个点粒子那样直接“掉入”原子核。

总结一下:

电子之所以不会落向原子核,不是因为存在一个我们看不见的“反引力”或者一个“斥力”来抵消原子核的吸引力。而是因为:

量子化能量: 电子只能存在于原子核周围特定的、离散的能量轨道上。
最低能量轨道的特性: 即使在最低能量的轨道上,电子也并非静止,它拥有一定的动能和波函数分布,这种分布意味着电子存在于离原子核有一定距离的概率。
不确定性原理: 为了处于更低的能量状态(更靠近原子核),电子需要非常大的动能,这已经超过了它在最低能级下的允许范围。
波动性: 电子的波粒二象性使得它的运动不是经典粒子式的轨线运动,而是以一种概率云的形式存在。

所以,原子结构是量子力学规律下的必然结果,电子围绕原子核运动并保持稳定,是量子世界最基本、最神奇的表现之一。它打破了我们对宏观世界直观的理解,展示了微观粒子独特的行为方式。

网友意见

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上面有很多解释,但是我觉得对于外行来说还是看不懂。

所以我补充一下我一个外行的理解吧。

推荐看“

量子力学史话 (豆瓣)

”,京东有售,网上也有大量pdf。

实验证明,从来就没有电子绕着原子核转这回事。

电子不是一个球,不是一个质点,所以不存在一方围绕另一方运动的情况。整个轨道模型当年提出来是一个“猜测”,已经通过多种实验被证明不符合实际情况。

现在再提这个模型只是为了帮助宏观到微观的理解。进入2000年以来,科研院所和科学教材上面,已经不再使用这个错误的模型来作为“科学”的代表了。

微观粒子的本质是什么?可能是一个弥散的场,可能是弦,可能是一个能量的分布函数。但不论如何,它不是简单的“一粒”东西,所以,不能把它们当成球来处理。

——————

另外附一点私货

1、

@Marxdamon

没有人认为量子力学是不可解释的,只不过从实验出发,已经证明了微观粒子和宏观的球是完全不同的,所以需要从实验出发,用新的理论去解释。

2、

@白如冰 @Hermite Bai

等各位直接建议读教材和论文的朋友:首先我不觉得民科和真正希望学习的人有太大的区别,其次直接抛大教材让人读完再来讨论其实无助于大家的沟通和理解。

因为一个完整的体系包含大量细节,并不能真正回答问题。我上学时候学量子,老师的重点很快就跳到波函数和矩阵换算、薛定谔方程解这些细节里面,对于介绍完整的前因后果没有太大帮助。

我相信,就算题主真的因为这个问题去“翻”量子教材,无人指点的情况下也找不到答案,最终得到的感觉就跟小时候问历史老师“为什么xxx会赢”,历史老师让你先去背“xxx相关的年代表”一样。

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不正经的部分开了个小号@李也群来答,为了方便大家对不同的部分(用投票)发表不同的看法,特此剥离认真回答问题的部分和不认真回答问题的部分。

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突然觉得不能放弃治疗,还是回来认真(凭印象)回答一下。尽量写简单点吧。

我知道,这个大概是一个很多人都问过的问题了,而且似乎也都对应有各种各样的解释,有的根据电子围绕原子核运动的模型来运用向心力VS离心力的原理来解释

是的,这个解释是由Bohr提出的旧量子论。在经典的牛顿力学和别想太多的电动力学范围内是自洽的,也能够基本解释所有单电子体系(H, He+, Li2+, Be3+, ...)但对更多的电子数无力,也无法面对薛定谔“糟糕的跃迁”的质疑。而且无法解释为什么电子的加速度没有导致其放出辐射而损失能量落入原子核(根据电动力学这个过程只需要大约10^-14秒哦亲~数据来源:数年前电动力学作业留下的印象)

但很快也就会有人指出电子并非是好像星球之间做圆周运动,而是在一片电子云的概率范围之内做无规则运动,因此不能简单套用离心力的原理;

这是现在的量子论,目前来看基本问题不大。

电子云_百度百科

还想知道电子云为什么那个形状、为什么那么多能级,看这个

Hydrogen atom

先贴这,有心情再展开。

还有的理论解释说,电子本身有能量,而且趋于自由运动,所以电子与原子核之间的能量只能束缚电子,但不能使得电子落向原子核,但对于这个本质上很类似于离心力的解释,一旦问到具体的层面,也就是一旦问到究竟“如何束缚电子,同时却又能时刻确保电子运动的方向与正负间的吸引力基本成直角关系,从而使得电子与原子核之间的吸引力只是改变电子的运动方向,但并不能对电子做功”时,解释大多立刻也就变得语焉不详起来~

“本身有能量”、“趋于自由运动”...QQ空间养生文的气息扑面而来,可类比“毒素”、“酸性食物”...掩面,不多说...题主已经看清了他们的面目,赞一个

有的甚至还引入电磁的效应,包括电子的运动包括自旋都会形成磁场,然后快速运动的电子往往会在自身所产生的磁场消失之前就又会进入这个磁场,并受其洛伦兹力的影响,从而产生一个与其运动方向相垂直的力,使其不落向原子核~~

嗯。。。很有想象力的一个模型,想要吐槽却发现匆匆下嘴的话会留牙印。你可以去问问提出这个假设的人,电子产生了会耗散的磁场,这个磁场能量从哪来的?

说不定人家转身就去发明了个永动机......

正经回答,自旋是没有经典对应的。电子不是真的在旋转。

Spin magnetic moment

我敢打赌这个解释不是从民科聚集地(各种贴吧、西陆论坛、某些奇葩刊物)出来的我吃键盘

上海限时达/麦欧蛋糕房/个性蛋糕/电脑蛋糕 电脑键盘蛋糕

也把这个打赌方法推荐给大家。喂这真的不是软文么。。。

更有的干脆就说:这就是量子力学啦,没法理解就对了....

百度知道骗积分的你也信啊......

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什么?然后那两个高票都删掉了

好吧那我也删好了,虽然舍不得用手机打的1234点近千字。但是我更不愿意在这种情况下把答案留在这里

楼下高琛,李群,李巨格同学的答案都是很有参考价值的

我原答案的大意是,题主遇到的困境其实是由于试图用牛顿力学去解释微观问题造成的

另外两个删掉的答主的答案,简而言之就是,讨论物理问题上下结论须有数学根据,否则容易变民科

不过竟让题主不高兴了

我的答案一不比楼下三位有专业性,二不比删掉那两位指出根本的问题。仅仅是话唠而已(看得出来)排第一挺惭愧

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