深層解讀：電子帶負電原子核帶正電，電子爲何沒有墜落到原子核？

由於科普對象的物理學水平參差不齊，所以要想做到讓所有人都滿意的科普，是不現實的。畢竟每個人的經歷和知識儲備都不一樣，對事物的認知程度也有高有低。

如果非要從專業角度分析，題目中的問題其實是很複雜的，爲了這次科普，我曾查閱了很多專業資料，說實話，我自己都看不太懂，畢竟我也不是專業學物理學的，大量的物理學術語和公式讓人看到都頭大。

而生活中大多數人也都不是物理學專業的，所以這裡儘可能用通俗的語言來詮釋問題，儘可能避免晦澀難懂的物理學術語，其實我也不敢用，擔心萬一用錯了誤導大家。

首先，從經典物理學角度來講，電子和原子核都帶電，前者帶負電後者帶正電，按照正負相互吸引的原則，電子和原子核會產生相互吸引的電磁力。

可能你會說電子有速度啊，以一定速度圍繞原子核旋轉，就像地球圍繞太陽那樣，所以即便有電磁力也不會墜落到原子核。

不過經典電磁理論還告訴我們，帶電粒子在高速運動時會向外輻射電磁波，也就是能量。也就是說，電子在運動的過程中會因爲不斷輻射電磁波而損失能量，結果電子的軌道就會越來越低，最終就會墜落到原子核上。

其實這個問題對於一百多年前的物理學家們，也是難題，他們同樣想不通。當時的物理學界認爲，原子就像一個棗糕，這就是著名的“棗糕模型”，而電子就像是葡萄乾一樣鑲嵌在棗糕上。

不過後來物理學大佬盧瑟福發現並不是那回事，他通過阿爾法粒子散射實驗表明，原子內部並不是實體，絕大部分空間都是虛空。既然是虛空，電子又會不斷損失能量，理應該很快墜落到原子核上纔對。但現實並非如此，電子並沒有墜落到原子核上。

這種理論與現實的矛盾，讓當時的物理學界大佬們都很困惑，很苦惱。直到量子力學的問世，才讓物理學家們看到了光明。

量子力學告訴我們，原子與宏觀物體的運行規律太不一樣了，能量是不連續的，是量子化的，微觀粒子釋放的能量並不能無限小，而是一份一份的，而每一份都必須是最小能量單位的整數倍，而最小的能量單位就被稱爲“量子”。

就拿電子來說明，電子只能釋放或者吸收量子的整數倍能量，比如說一份量子或者十份量子，但不能釋放或者吸收1.5份量子的能量。這就意味着電子最終只能在某些特定的“能級”，並且通過吸收或者釋放能量在特定的能級上來回躍遷，也就是“電子躍遷”。

也就是說，電子釋放或者吸收的能量必須正好等於兩個能級的能量差，才能發生電子躍遷，否則電子躍遷就會被禁止，電磁輻射就會被禁止。這也是爲什麼電子能在原子核外穩定運行的原因所在。

那麼，電子真的就不會墜落到原子核上嗎？

當然不是，在某些極端條件下，電子也會墜落到原子核上，當然這個過程需要極大的能量輸入，能量大小必須足以對抗電子簡併壓才行。

何爲電子簡併壓？

根據泡利不相容原理，兩個相同的半整數倍自旋的粒子，比如說電子或者其他費米子，不能同時佔據相同的量子態。如果有外部力量非要強迫電子這麼做，就會產生對抗外部能量的強大力量，這就是電子簡併壓。

科學家們還發現，正是電子簡併壓力阻止了太陽質量大小的恆星在死亡之後繼續向內坍縮，最終只能形成白矮星。

具體來講，電子簡併壓力其實不是某種“力”，而是某種交互相互作用，這種“力”與四大基本作用力有着本質區別。因爲電子簡併壓並不需要任何媒介粒子來傳遞，而且只會發生在全同粒子之間，本質來講可以說是一種波函數的干涉效應，並不是什麼力。當然這裡就不深究了，再深入探索下去我也有點懵。

可以這樣形象理解電子簡併壓，就像分子的熱運動一樣。我們都知道，當溫度升高時，分子的熱運動會變得更劇烈，體積自然會變大，之所以會變大，當然不是某種力在起作用，只是分子之間的交互作用導致的。因此，我們可以把電子簡併壓力通俗理解爲“電子熱運動”產生的“電子氣壓”。

再形象點就是，比如說你就喜歡一個人待在一個房間裡，任何人想進入你的房間都會讓你感到不舒服，於是你就會全力把想進來的人往外推，你的推力就相當於“電子簡併壓力”！

其實電子簡併壓一直都存在，只不過通常情況下因爲太小了完全可以忽略不計。但是如果電子密度足夠高，溫度足夠低時，就會顯現出來，並且佔據主導地位。

比如說白矮星內部就是如此，在強大的萬有引力作用下，原子外層的電子殼也會被壓碎，於是形成了大量自由電子，而原子核就像漂浮在茫茫電子海洋中一樣，我們可以把這種情況想象成所有原子核和電子一起形成了一個超大分子。

當物質被壓縮到一定程度時，低能級軌道會被電子擠滿，根據泡利不相容原理，兩個電子不能佔據同一個量子態，於是不斷靠近的電子就會產生強大的排斥力，也就是電子簡併壓力，這種力量會阻止白矮星物質繼續向內坍縮。

當然，如果恆星的質量足夠大，強大的萬有引力也會擊穿電子簡併壓，電子就會墜落到原子核上，與質子結合形成中子，這就是中子星。同樣地，中子之間也會形成更爲強大的中子簡併壓，阻止中子星物質繼續向內坍縮。

而如果恆星質量繼續變大，中子簡併壓也不得不屈服，所有物質無限向內坍縮，最終形成黑洞！

看到這裡，相信你已經明白了。不過對於家裡的小朋友，比如說剛上初中的小朋友來講，即便是電磁輻射，中子星，黑洞或者電子簡併壓這些概念，也可能會讓他們摸不着頭腦，面對他們的疑問，就必須更形象地來解釋了。

直接告訴小朋友電子其實是可以墜落到原子核上的，只不過原子本身很硬，需要用很大力量才行，一般的力量是不夠的。

可以拿現實的物質具體解釋，比如說水和空氣之間的對比。小朋友肯定知道水比空氣更硬，我們可以輕鬆把空氣壓縮，但很難壓縮水，甚至初中物理老師會直接告訴我們水是不能被壓縮的。而原子是比水更硬的東西，所以把電子壓縮到原子核上會更難。

完！