电子围绕原子核旋转到底有什么奥秘

我们随手扔出一块石头,石头不管飞多高多远,最终也会落到地面上来,即便飞得更高更远的人造卫星最后的结局也是回归大地母亲的怀抱,这是因为万有引力的存在,我们扔出去的物体最终都会回到地球上。

但是同样的问题却没有发生在原子内部,原子内部电子和原子核之间的万有引力虽然微弱到可以忽略不计,但是它们之前有强大的电磁力,那为什么电子最终却没有落到原子核上呢?

要回答这个问题,就要从头说起了。

一、早期的原子模型

最早的原子模型是由英国科学家道尔顿提出,他认为原子就是一个坚硬的小球,而且不可再分,同种元素的原子的性质相同。

这个观点基本是由道尔顿想象出来的,但是也非常接近实际情况了,如果不谈物理,只谈化学的话,这个观点到现在为止也可以应用,不过这也仅仅是个假说,并没有实验验证,后来支持这一观点的玻尔兹曼因为和对手争论,身心疲惫为此自杀,那么原子的观点是什么时候才为人们认可的呢?这要等到爱因斯坦出现,1905年,就是传说中的爱因斯坦奇迹年,爱因斯坦关于布朗运动的一篇论文论证了原子的存在,后来,法国物理学家佩兰根据爱因斯坦的论文做了实验,证实了爱因斯坦的观点,原子论才为人们广泛接受,没想到吧,今天耳熟能详的原子居然直到爱因斯坦才被科学界认可,由此也可以想见爱因斯坦的伟大。

不过随着科学的发展,道尔顿原子论的部分观点也出现了问题,依照道尔顿的看法,原子是不可再分的,可是英国科学家汤姆孙发现了电子,这就说明原子是可以再分的,那么原子内部是如何构造的呢?汤姆孙也凭空想象了一个模型,这倒是和道尔顿一样,汤姆孙的模型叫做枣糕模型或者叫西瓜模型,大意就是电子均匀地分布在原子内部,就象枣糕上的枣,西瓜中的西瓜籽一样。

这个比喻太形象了,只要我们想想吃的枣糕和西瓜就可以大致了解这个模型,看来汤姆孙先生也是个吃货啊。

不过汤姆孙的学生卢瑟福表示还是做个实验验证一下吧。这个不做实验凭空想象出来的理论被打脸的太多了,为了验证老师的理论,卢瑟福决定做一个实验,这就是著名的α粒子散射试验。

二、卢瑟福的实验

α粒子就是氦原子核,由两个中子和两个质子组成,带正电,质量足够大,速度足够快,这就是探究原子核内部的子弹啊。

卢瑟福用α粒子轰击金箔,依照汤姆孙的理论,原子内部是均匀的,那么穿过原子后的α粒子的偏转角度应该大致相同,就好像对西瓜扫射,这个比喻不太恰当,应该是用机枪扫射一块坚硬的钢板吧,子弹基本上偏转应该差不多,可结果呢?大部分α粒子几乎不发生偏转,非常少的阿尔法粒子发生了超过90°的偏转,甚至还有的出现了150°的偏转,这意味着什么?

这意味着原子内部大部分空间都是空的,而中间有一个坚硬的核心,穿过空的空间的α粒子没有发生偏转,而碰到核心的粒子出现了大角度偏转。

卢瑟福据此提出了原子行星模型,大意就是原子中电子围绕原子核旋转,电子带负电,原子核带正电,而且原子核极小,但集中了原子的几乎所有质量。


图1

这就是所谓的电子为什么不掉入原子核问题的由来。在卢瑟福看来,原子核就象是太阳,而电子就象是行星,就这么一直围绕着原子核旋转,那么地球不是也没有掉入太阳中吗?他们之间的万

有引力都作为向心力维持圆周运动了,这个好像解决了问题,其实还没有。

原子和太阳系不同的是原子是会释放光谱的,释放光谱就意味着能量逐步减少,能量逐步减少后,电子的速度就会降低,慢慢地就应该落到原子核上,还是用牛顿力学来解释吧,我们用绳子栓一个小石块做圆周运动,当我们不用力的时候,小石块就会慢下来,回到圆心,当然不会回到圆心,因为还受到重力作用。

按照这种情况,电子就应该落到原子核上啊,可是这种情况并没有发生,要是电子落到原子核上的话,我们的地球就会变成中子星,可是现在并没有这种情况发生啊。

三、玻尔的量子革命

卢瑟福的学生玻尔感到这个历史的重任落到了他的肩上,既然老师可以怼师爷,为什么我不可以怼一怼老师呢?

玻尔提出了他的原子模型,大意就是电子在固定的轨道上运行,并不会辐射能量,就是不发射光,但是电子在跃迁到另一个轨道时,才会辐射能量也就是发光,但是跃迁之后,又继续保持稳定,不再辐射能量,而且,关键是这个而且,这个跃迁是不连续的,必须是普朗克常数的整数倍,这就是量子论。


图2

还是来打个比方吧。玻尔的原子模型中,电子就象在赛道上的汽车一样,只能在固定的赛道上飞驰,当出现事故的时候,汽车会跳到内圈的赛道,这个时候就辐射电磁波或者叫发光,而跳到内圈跑道后,由于速度和半径都发生了变化,这就是说汽车的动能已经降低了,其能量差就等于辐射出去的电磁波,反过来也一样,要是吸收电磁波呢,电子就会跳到外圈跑道,这种从内圈跳到外圈或者外圈跳到内圈的过程就叫跃迁,不过注意啊,由于跑道中间有障碍物,汽车可是跳过去的,不是跑过去的,所以跃迁也不是连续的。

波尔的模型完美地解释了电子为什么不掉进原子核,伟大的量子论就此产生,物理学进入了一个新时代。

但是玻尔的模型也有问题,就是只适用于氢原子模型,对于多原子模型并不合适,那怎么办呢?或者说真正的原子模型一个是什么样的呢?真正的原子模型应该是电子云模型,就是电子随机出现,出现在哪里都是一种概率。


图三

这就是电子的波粒二象性,或者说根本就没有电子,存在的只是一种概率波。不过,这个模型的提出,就该那一群星星们登场了,一时间,泡利薛定谔海森堡德布罗意狄拉克波恩康普顿纷纷你方唱罢我登场,天空顿时星光灿烂。

来源:今日头条

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