对于原子的内部结构,很多人都听说过这种说法:电子围绕原子核旋转,就像地球围绕太阳旋转那样。

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事实上,关于“电子围绕原子核旋转”的说法是不严谨的,电子并不是像地球围绕太阳旋转那样,如果真的如此,由于电子在运动的过程中会向外辐射能量,释放能量,那么电子的运动半径就会越来越小,最终坠落到原子核上。

但事实上电子并不会坠落到原子核上,这说明原子内部的运动规律并不能用我们熟知的经典物理学去诠释。

原子核和电子属于微观世界,必须用统治微观世界的量子力学来诠释。下面就来通俗地讲解一下电子到底是如何运动的,以及为何电子不会被原子核吸引。

说到电子运动,首先不得不提到电子跃迁。

量子世界,微观粒子的运动是不确定的,我们不能同时描述出粒子的运动速度和位置,只能用概率去描述,也就是所谓的“波函数”,如何求解波函数呢?

通过薛定谔方程。薛定谔方程在量子世界的地位就犹如牛顿经典力学(第二定律)在宏观世界的地位一样,可见有多么重要。

量子世界与宏观世界是两个完全不同的世界,所以我们不能简单地用牛顿定律去诠释量子世界。

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继续说量子跃迁。何为量子跃迁?简单讲,当电子能级较高时,一旦受到某种干扰,总是会随机跃迁到低能级,并在跃迁的过程中释放能量。

举个现实中通俗的例子,就像山上的石头,由于位置较高(可以类比成电子的能级较高),石头总是拥有向山谷滚落的趋势(山谷就是电子的低能级),一旦石头受到某种干扰,比如说你用手推动石头,石头就会滚落到山谷。

那么电子到底会跃迁到哪里呢?

不确定性告诉我们,很难去描述电子跃迁的过程和位置,也只能用概率来描述,也就是说我们只能去描述电子跃迁在某个位置的概率,用电子云来描述。

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同时,由于能量并不是连续的,而是离散(量子化)的,电子跃迁释放的能量必须是两个能级之间的能量差,不会辐射出任何能量。而如果电子吸收能量向高能级跃迁,也只能吸收两个能级之间的能量差,不是所有能量都能让电子向高能级跃迁。

那么问题来了,电子为何会从高能级向低能级跃迁呢?到底是什么样的扰动会让电子发生跃迁呢?

通俗来讲,可以这样理解:电子总是倾向于保持稳定,而低能级的电子比高能级更问题。

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还是拿刚才山上的石头打个比方。在山顶的石头总是不稳定的(高能级),而一旦跌落到山谷(低能级),石头就非常稳定了,位于山谷的时候很难再受到扰动的影响改变位置。这很好理解,因为你稍微推动一下山顶的石头,石头就会向下跌落。

但如此通俗地解释并不会消除你心里的疑问,你肯定想知道到底是什么样的扰动让电子发生跃迁。

众所周知,原子包括原子核和电子,原子核非常小,只有原子半径的千亿分之一,而电子比原子核更小。所以原子内部绝大部分空间都是“虚空”的。

但这里的“虚空”并不是真的都没有,甚至恰恰相反,那里表现出来生机勃勃的景象。

在极短的时间里,虚空会随机衍生出虚空粒子,比如说正电子和负电子,然后它们瞬间湮灭,转化为能量。

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这听起来好像是“无中生有”一样,貌似违背了能量守恒定律,其实并没有。

根据量子世界的不确定性原理,只要衍生到湮灭的时间足够短,就可以发生。从衍生到湮灭这段时间里产生的能量就是基态能量,也叫做“真空零点能”。

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可以看出,所谓的“虚空”(真空)其实一点也不空,甚至很热闹,就像沸腾的海洋那样,随时上演着这种衍生湮灭的过程,也称之为“量子起伏”(涨落)。

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而虚空的这种量子起伏对位于虚空的中的电子造成了扰动,让电子跃迁的低能级,释放能量。而如果电子吸收了外界能量,又会重新跃迁到高能级。如果电子吸收到的能量足够多,就会跃迁到摆脱原子核束缚的“高能级”,也就是所谓的“等离子体”状态,成为自由电子。

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而电子其实一直在高能级和低能级之间来回跃迁,表现出来电子云的状态,而不是围绕着原子核运动。所以电子并不会被原子核的引力吸进去。