核外电子带什么电原子核带正电，电子带负电，为什么电子不会掉到原子核内？

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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原子核带正电，电子带负电，为什么电子不会掉到原子核内？

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。

原子核与电子之间有什么？是真空吗？

原子是什么样子的？

这似乎是个很傻的问题，因为只要一提到原子，许多人就会知道原子是由原子核与核外电子组成，电子围绕着原子核高速旋转，就像下面这张图一样。

传统的原子图像

也有的朋友说这样画原子是不对的，原子核外围的电子有不同的轨道，它是一层一层分级的，比如说镭原子应该画成下面的样子。

镭原子的电子轨道图

这样画对吗？

你不能说它不对，因为在我们的常识里，原子它就是这个样子，并且全世界的中学教科书里全都是这样教的，它表示了原子的构成原理。

然而实际上，不仅原子本身极小，在一个原子里，原子核与电子更是小到看不见。我经常拿体育场来打比方：当我们将一个氢原子放大到一个大型体育场那么大时，原子核不过是场中央的一颗绿豆，而电子呢？它可能只是最边缘看台座椅上的一粒微尘。

原子内部很“空”

看起来原子很“空”，对吧？

那么问题来了，在原子核与电子之间的“巨大”空间里到底有什么东西呢？它到底是所谓的“真空”，还是填充了某些神秘的东西？要想搞清楚这些问题，我们还得从原子本身说起。

原子的结构

原子是构成世间万物的基本粒子，它非常小，尺寸大约仅是1纳米的十分之一，也就是大约一百万分之一毫米。由于它的尺寸远远小于可见光的波长，因此我们不能使用任何一台光学显微镜观察到它。直到扫描隧道电子显微镜出现后，人们才得以间接“观察”到单个原子表面的情况。

扫描隧道电子显微镜观察到的硅表面原子

我们可以看到原子中间的原子核吗？并不能。

即使原子核与核外电子之间“相距遥远”，即使光子比电子更小（光子没有体积），但光子依然无法穿过电子所形成的屏障。因为光子总是表现为电磁波，它要么被电子吸收，要么被电子形成的电磁场屏蔽，因此大多数光子无法顺利穿过原子。

中子与中微子可以穿过原子（极小概率撞入原子核），它们是中性电荷的亚原子粒子，所以不会与原子内部的电磁场发生相互作用。

在原子核的表面有非常强大的磁场，比如说元素铋的原子核表面的磁场强度甚至与中子星表面相当，只是它的尺度极小，这个磁场仅对围绕着原子核运动的电子起作用。

原子的结构图

电子是什么样子的？

没有人知道电子实际是什么形状，我们看不到电子。传统物理理论认为，电子是一个极微小的小球体，它很轻，质量仅为9.11×10⁻³¹kg，它在原子这样的极小尺度里以接近光速运行。

但是在原子这么小的尺度下，经典物理理论无法解释许多奇怪的现象，我们需要利用量子力学。

量子物理认为，电子不是一个球，而是一团云。一个电子在它的轨道上可以出现在这里又同时出现在那里。尽管这很难让人理解，但它就是量子力学对电子云的解释：原子核中的质子通过其强大的电磁力制造了一个静电场势阱，电子被束缚在这个势阱中，电子云就是其中的一个区域；由于电子具有波粒二相性，它便成为这个区域中不断变化的三维驻波，电子的轨道就是空间中扩展的量化波函数。

不同的电子轨道

由于围绕在原子核周围s轨道中电子的波函数实际上一直会向下延伸到原子核表面，这意味着电子在某些时刻会“进入”原子核。从这个意义上讲，电子与原子核之间的空间并不是真正的“空”，而是充满着电子。

与此同时，电子和原子核的质子或中子之间存在不断的相互作用，这包括电磁作用和弱力作用。在量子场理论中，电子会与质子在电磁作用下不断地交换光子、与中子在弱力情况下不断交换波色子。因此我们也可以说，电子与原子核之间的空间被这些力“填满”了。

电子云填满了原子核周围的空间

现在，让我们回到本文最初关心的问题：

原子核的周围到底有什么？

有电子。

在经典物理学看来，电子是粒子，它围绕在原子核周围运行；电子的运动形成了电磁场，这种电磁场会排斥其它原子表面的电磁场，从而使原子之间保持距离。我们可以说在原子核与电子之间是真正的“空白”。

而在量子物理看来，电子是量子粒子同时也是波，它没有特定的位置，所有的存在都是粒子在任何给定时间位置概率的集合，它分布在原子核的周围形成“云”，近至原子核本身，远至银河系的另一端。电子云是一层“坚固的”概率云，它包裹着原子核，所以原子核周围没有“空白”。

原子

除了电子之外呢？

除电子之外都是过客。无论是γ射线光子、部分X射线光子、中微子还是极少数自由中子，它们都只是一闪而过，不会长时间呆在原子内部的空间里。