为什么电子不会掉进原子核中?
原子是由原子核和电子构成,但问题是,原子核和电子都是带电粒子,其中原子核带正电,电子带负电,在这种情况下,原子核就会对电子产生强大的吸引力,既然如此,那为什么电子不会掉进原子核中呢?
对于这个问题,或许你会想到地球和太阳,毕竟太阳的引力也会对地球产生强大的吸引作用,但地球却没有掉进太阳,为什么会这样呢?
这其实可以通过经典物理学来进行解释,即:地球一直在围绕着太阳公转,在此过程中,太阳的引力充当了向心力的“角色”,或者也可以更简单地说,地球围绕太阳公转时会受到“离心力”的作用,这平衡了太阳对地球的吸引力(注:“离心力”是一种虚拟力,它其实是物体惯性的体现)。
看上去,我们似乎只需要将电子比作地球,将原子核比作太阳,就可以简单解释为什么电子不会掉进原子核中了,实际上,科学家也曾经这么想过,但他们随后意识到,这种解释有很大的缺陷。
要知道即使是电子在围绕着原子核做匀速圆周运动,它的速度方向也一直在变化,也就是说,在这此过程中的电子一直有加速度,而电子是带电粒子,根据经典电磁理论,任何带电的物体在具有加速度的情况下都会释放电磁波,并因此而损失能量。
这就意味着,随着时间的流逝,电子的能量就会越来越低,它与原子核的距离也会随之越来越近,并最终掉进原子核中。
于是这就成为了一个科学界头疼了很久的问题,一直到量子力学出现之后,科学家才找到答案。这具体是怎么回事呢?我们接着看。
所谓量子,并不是指某种特定的微观粒子,简单来讲就是,假如有一个物理量存在着最小的、不可分割的基本单位,那么这个“基本单位”就被称为量子,而这个物理量就是量子化的。
在量子力学中有一个“海森堡不确定性原理”,该原理由物理学家沃纳·卡尔·海森堡(Werner Karl Heisenberg)于1927年提出,其内容简单地概括为,对于像电子这种微观粒子来讲,我们不能同时确定它们的位置和动量。
这就意味着,原子内部的电子,并不会像“地球围绕太阳公转”那样围绕着原子核运行,对此我们可以简单地理解为,在原子的内部,电子的分布是不确定的,我们只能够通过概率来描述它们出现在某个位置上的可能性。
另一方面来讲,由于电子的能量是量子化的,因此它们就不能像我们常见的宏观物体那样,可以吸收或释放任意小份的能量,而只能是一份一份的不连续的值,在这种情况下,电子就只能处于一些特定的能量状态,这也被称为“能级”。
对于原子内部的电子来讲,它们会自发地向能量更低的状态跃迁,当从较高的“能级”跃迁到较低的“能级”时,电子会以电磁波的形式释放出能量。
但假如电子要释放的能量不是正好与两个“能级”之间的能量差相等的话,那电子就无法释放能量了,在这种情况下,即使电子具有加速度,它们也不会释放出电磁波,而只能在处于当前的“能级”,这就解释了为什么电子可以在具有加速度的情况下,可以始终与原子核保持一定的距离。
需要知道的是,电子的“能级”并不是可以无限低的,它有一个能量最低的状态,我们可以将其称为“最低能级”,当电子处于这种状态时,就没有更低的能量状态可以跃迁了。
在原子的内部,电子的能量并不是离原子核越近就越低,根据量子力学的具体计算,电子的“最低能级”的能量轨道其实与原子核存在着一定的距离(比如说氢原子中的电子的“最低能级”的能量轨道,就位于其原子核之外大约50皮米的位置)。
综上所述可知,电子会自发地向能量更低的状态跃迁,但这个过程有一个终点,那就是“最低能级”,而因为“最低能级”的能量轨道其实是位于原子核之外,所以当电子跃迁到“最低能级”时,就不会自发地继续向原子核接近了,正因为如此,电子才不会掉进原子核中。
原子是由原子核和电子构成,但问题是,原子核和电子都是带电粒子,其中原子核带正电,电子带负电,在这种情况下,原子核就会对电子产生强大的吸引力,既然如此,那为什么电子不会掉进原子核中呢?
对于这个问题,或许你会想到地球和太阳,毕竟太阳的引力也会对地球产生强大的吸引作用,但地球却没有掉进太阳,为什么会这样呢?
这其实可以通过经典物理学来进行解释,即:地球一直在围绕着太阳公转,在此过程中,太阳的引力充当了向心力的“角色”,或者也可以更简单地说,地球围绕太阳公转时会受到“离心力”的作用,这平衡了太阳对地球的吸引力(注:“离心力”是一种虚拟力,它其实是物体惯性的体现)。
看上去,我们似乎只需要将电子比作地球,将原子核比作太阳,就可以简单解释为什么电子不会掉进原子核中了,实际上,科学家也曾经这么想过,但他们随后意识到,这种解释有很大的缺陷。
要知道即使是电子在围绕着原子核做匀速圆周运动,它的速度方向也一直在变化,也就是说,在这此过程中的电子一直有加速度,而电子是带电粒子,根据经典电磁理论,任何带电的物体在具有加速度的情况下都会释放电磁波,并因此而损失能量。
这就意味着,随着时间的流逝,电子的能量就会越来越低,它与原子核的距离也会随之越来越近,并最终掉进原子核中。
于是这就成为了一个科学界头疼了很久的问题,一直到量子力学出现之后,科学家才找到答案。这具体是怎么回事呢?我们接着看。
所谓量子,并不是指某种特定的微观粒子,简单来讲就是,假如有一个物理量存在着最小的、不可分割的基本单位,那么这个“基本单位”就被称为量子,而这个物理量就是量子化的。
在量子力学中有一个“海森堡不确定性原理”,该原理由物理学家沃纳·卡尔·海森堡(Werner Karl Heisenberg)于1927年提出,其内容简单地概括为,对于像电子这种微观粒子来讲,我们不能同时确定它们的位置和动量。
这就意味着,原子内部的电子,并不会像“地球围绕太阳公转”那样围绕着原子核运行,对此我们可以简单地理解为,在原子的内部,电子的分布是不确定的,我们只能够通过概率来描述它们出现在某个位置上的可能性。
另一方面来讲,由于电子的能量是量子化的,因此它们就不能像我们常见的宏观物体那样,可以吸收或释放任意小份的能量,而只能是一份一份的不连续的值,在这种情况下,电子就只能处于一些特定的能量状态,这也被称为“能级”。
对于原子内部的电子来讲,它们会自发地向能量更低的状态跃迁,当从较高的“能级”跃迁到较低的“能级”时,电子会以电磁波的形式释放出能量。
但假如电子要释放的能量不是正好与两个“能级”之间的能量差相等的话,那电子就无法释放能量了,在这种情况下,即使电子具有加速度,它们也不会释放出电磁波,而只能在处于当前的“能级”,这就解释了为什么电子可以在具有加速度的情况下,可以始终与原子核保持一定的距离。
需要知道的是,电子的“能级”并不是可以无限低的,它有一个能量最低的状态,我们可以将其称为“最低能级”,当电子处于这种状态时,就没有更低的能量状态可以跃迁了。
在原子的内部,电子的能量并不是离原子核越近就越低,根据量子力学的具体计算,电子的“最低能级”的能量轨道其实与原子核存在着一定的距离(比如说氢原子中的电子的“最低能级”的能量轨道,就位于其原子核之外大约50皮米的位置)。
综上所述可知,电子会自发地向能量更低的状态跃迁,但这个过程有一个终点,那就是“最低能级”,而因为“最低能级”的能量轨道其实是位于原子核之外,所以当电子跃迁到“最低能级”时,就不会自发地继续向原子核接近了,正因为如此,电子才不会掉进原子核中。
铀不停地衰变,为何在45.5亿年后地球上还有铀?
铀是人类利用核能的重要原料,也是一种会发生衰变的放射性元素,铀为什么会衰变呢?这就要从原子的微观结构讲起了。
众所周知,原子是由原子核和电子构成,而原子核则是由一定数量的质子和中子构成。在拥有多个质子的原子核的内部,存在着两种力量的较量,其中的一方是强相互作用力,其作用是将质子和中子结合在一起,另一方则是电磁力,由于质子都带正电,因此当原子核内存在着多个质子时,它们之间就会产生排斥力。
强相互作用力是宇宙四大基本力中最强的一种,但这种力却是一种短程力,其作用距离仅为10^(-15)米,相比之下,电磁力却是长程力,从理论上来讲,其作用距离是无限的,而这也就意味着,质子之间的排斥力是可以叠加的,而强相互作用力却只能“单打独斗”。
正因为如此,当原子核内部的质子数量达到一定程度的时候,质子之间的排斥力就可以达到足以抗衡强相互作用力的强度,于是原子核就会变得不稳定。
实际上,铀原子核就是属于这种情况,铀是我们能够在自然界中找到的最重元素,其原子序数为92,也就是说,在铀原子核之中的质子数量高达92个,拥有如此多的质子,铀原子核当然也就不稳定了,而这就是铀会发生衰变的原因。
我们知道,宇宙万物都会自发地趋向于稳定状态,铀原子核当然也不例外,那如何才能让自己更稳定呢?一个最有效的途径就是减少自己的质子数量。
然而对于铀原子核这种拥有大量质子和中子的重原子核来讲,想要单独释放质子几乎是一件不可能的事情,因为在重原子核的内部存在着一种“结团效应”,简单来讲就是,在重原子核的内部,质子和中子并没有均匀分布,而是结合成一团一团的,其中最容易结成的团就是由两个质子和两个中子构成的“α结团”。
所以铀原子核就总是会趋向于向外释放出一个“α结团”,是的,这就是我们常听到的“α衰变”,当铀原子核发生“α衰变”之后,就会一次性减少两个质子和两个中子,其原子序数就会减2,进而转变成90号元素——钍,比如说铀-238在发生“α衰变”之后,就会转变成钍-234。
正如我们所知,地球的“年龄”大约为45.5亿年,那么问题就来了,既然铀不停地衰变,那为何在45.5亿年后地球上还有铀呢?其实这很好理解。
铀原子核总是会趋向于衰变,并不代表它马上就会衰变,这其实是有概率的。对于单个铀原子核而言,它何时衰变是不确定的,也就是说,它有可能在1秒钟后就发生衰变,也有可能在1亿年之后才会衰变,但如果观测到的铀原子核数量足够多,它们的衰变就具备了明显的规律。
这里就需要提到“半衰期”的概念了,我们可以将其简单地理解为:一大堆放射性元素的原子核有一半发生衰变所经历的时间。
举个例子,假设有一种放射性元素的半衰期为1秒,那么我们观测2亿个这样的原子核的时候,只需要1秒,就有1亿个原子核会发生衰变,而在下一秒,剩下的1亿个之前没有衰变的原子核中又有5000万个会发生衰变,随着时间的推移,这些原子核就会不断地“减半”,直到其数量小到不再具有统计意义。
相关研究表明,在地球上自然存在的铀只有铀-238、铀-235和铀-234这三种同位素,它们的衰变类型都是“α衰变”,其中铀-238的半衰期最长,大约为44.68亿年,也就是说,在经历了45.5亿年之后,地球上的铀-238其实只衰变了差不多一半。
相对而言,铀-235和铀-234的半衰期更短,分别为大约7.04亿年和24.55万年,不过在45.5亿年的时间里,它们的“减半”次数还不足以让它们在自然界中消失殆尽,只是它们的相对丰度要比铀-238更低,测量数据表明,地球上的铀-238、铀-235和铀-234的相对丰度分别为99.2742%、0.7204%和0.0054%。
简单总结一下就是:虽然铀不停地衰变,但是由于铀有三种同位素的半衰期都相对较长,以至于在45.5亿年后的地球上,我们仍然可以发现它们的踪迹。
值得一提的是,宇宙中的铀元素其实都是在超新星爆发、中子星碰撞这样的高能事件中产生的,在经历了漫长的时间之后,它们中的极小一部分才来到地球,所以地球上的铀其实比我们想象中的还要古老,在来到地球之前,它们其实已经衰变了很长时间了。
铀是人类利用核能的重要原料,也是一种会发生衰变的放射性元素,铀为什么会衰变呢?这就要从原子的微观结构讲起了。
众所周知,原子是由原子核和电子构成,而原子核则是由一定数量的质子和中子构成。在拥有多个质子的原子核的内部,存在着两种力量的较量,其中的一方是强相互作用力,其作用是将质子和中子结合在一起,另一方则是电磁力,由于质子都带正电,因此当原子核内存在着多个质子时,它们之间就会产生排斥力。
强相互作用力是宇宙四大基本力中最强的一种,但这种力却是一种短程力,其作用距离仅为10^(-15)米,相比之下,电磁力却是长程力,从理论上来讲,其作用距离是无限的,而这也就意味着,质子之间的排斥力是可以叠加的,而强相互作用力却只能“单打独斗”。
正因为如此,当原子核内部的质子数量达到一定程度的时候,质子之间的排斥力就可以达到足以抗衡强相互作用力的强度,于是原子核就会变得不稳定。
实际上,铀原子核就是属于这种情况,铀是我们能够在自然界中找到的最重元素,其原子序数为92,也就是说,在铀原子核之中的质子数量高达92个,拥有如此多的质子,铀原子核当然也就不稳定了,而这就是铀会发生衰变的原因。
我们知道,宇宙万物都会自发地趋向于稳定状态,铀原子核当然也不例外,那如何才能让自己更稳定呢?一个最有效的途径就是减少自己的质子数量。
然而对于铀原子核这种拥有大量质子和中子的重原子核来讲,想要单独释放质子几乎是一件不可能的事情,因为在重原子核的内部存在着一种“结团效应”,简单来讲就是,在重原子核的内部,质子和中子并没有均匀分布,而是结合成一团一团的,其中最容易结成的团就是由两个质子和两个中子构成的“α结团”。
所以铀原子核就总是会趋向于向外释放出一个“α结团”,是的,这就是我们常听到的“α衰变”,当铀原子核发生“α衰变”之后,就会一次性减少两个质子和两个中子,其原子序数就会减2,进而转变成90号元素——钍,比如说铀-238在发生“α衰变”之后,就会转变成钍-234。
正如我们所知,地球的“年龄”大约为45.5亿年,那么问题就来了,既然铀不停地衰变,那为何在45.5亿年后地球上还有铀呢?其实这很好理解。
铀原子核总是会趋向于衰变,并不代表它马上就会衰变,这其实是有概率的。对于单个铀原子核而言,它何时衰变是不确定的,也就是说,它有可能在1秒钟后就发生衰变,也有可能在1亿年之后才会衰变,但如果观测到的铀原子核数量足够多,它们的衰变就具备了明显的规律。
这里就需要提到“半衰期”的概念了,我们可以将其简单地理解为:一大堆放射性元素的原子核有一半发生衰变所经历的时间。
举个例子,假设有一种放射性元素的半衰期为1秒,那么我们观测2亿个这样的原子核的时候,只需要1秒,就有1亿个原子核会发生衰变,而在下一秒,剩下的1亿个之前没有衰变的原子核中又有5000万个会发生衰变,随着时间的推移,这些原子核就会不断地“减半”,直到其数量小到不再具有统计意义。
相关研究表明,在地球上自然存在的铀只有铀-238、铀-235和铀-234这三种同位素,它们的衰变类型都是“α衰变”,其中铀-238的半衰期最长,大约为44.68亿年,也就是说,在经历了45.5亿年之后,地球上的铀-238其实只衰变了差不多一半。
相对而言,铀-235和铀-234的半衰期更短,分别为大约7.04亿年和24.55万年,不过在45.5亿年的时间里,它们的“减半”次数还不足以让它们在自然界中消失殆尽,只是它们的相对丰度要比铀-238更低,测量数据表明,地球上的铀-238、铀-235和铀-234的相对丰度分别为99.2742%、0.7204%和0.0054%。
简单总结一下就是:虽然铀不停地衰变,但是由于铀有三种同位素的半衰期都相对较长,以至于在45.5亿年后的地球上,我们仍然可以发现它们的踪迹。
值得一提的是,宇宙中的铀元素其实都是在超新星爆发、中子星碰撞这样的高能事件中产生的,在经历了漫长的时间之后,它们中的极小一部分才来到地球,所以地球上的铀其实比我们想象中的还要古老,在来到地球之前,它们其实已经衰变了很长时间了。
武汉学生校内被撞身亡事件
网络里喷子太多
我认为根本原因,还是这些穷屌丝嫉妒眼红
看到别人赔偿款有90万
就酸别人 侮辱别人
这些穷屌丝,月薪4千以下,生活在社会最底层
90万赔偿款,这些穷人一辈子都存不起来
一辈子没有见过面的人,一句话没有说过的人,哪里有这么大的仇怨?在网络里侮辱酸别人。
我的微博置顶里,我干那些坏人小人,都是那些坏人小人嫉妒眼红我,我忍无可忍才出手的,过了这么多年,我觉得我做的都非常正确。
所以我的微博至少发了20条,让月薪2万以下的,滚出老子微博。更设置我的微博只让少数人评论,以及我的微博签名。
综上所述,我一定要把不上进的穷人,撵出我的交友圈子。净化我交友圈子,只为了我过的更简单,舒心一点。
网络里喷子太多
我认为根本原因,还是这些穷屌丝嫉妒眼红
看到别人赔偿款有90万
就酸别人 侮辱别人
这些穷屌丝,月薪4千以下,生活在社会最底层
90万赔偿款,这些穷人一辈子都存不起来
一辈子没有见过面的人,一句话没有说过的人,哪里有这么大的仇怨?在网络里侮辱酸别人。
我的微博置顶里,我干那些坏人小人,都是那些坏人小人嫉妒眼红我,我忍无可忍才出手的,过了这么多年,我觉得我做的都非常正确。
所以我的微博至少发了20条,让月薪2万以下的,滚出老子微博。更设置我的微博只让少数人评论,以及我的微博签名。
综上所述,我一定要把不上进的穷人,撵出我的交友圈子。净化我交友圈子,只为了我过的更简单,舒心一点。
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