电子为什么不会掉入原子核里?

关于这个问题,我们可以分两个角度去思考。一个就是一般情况下电子为什么不会进入原子核,另外一个就是电子在什么情况下会进入原子核。

首先,我这里指的是在正常状态下,电子之所以不被原子核吸入。本质上是和“懒”有关。为什么这么说呢?

这里我们要先从粒子物理标准模型说起,上世纪50年代-70年代,科学家们开始疯狂地寻找粒子,就像当年化学家们找元素一样,基本上找到的,或者预言到的,都可以拿到诺奖。

而随着时间的推移,理论物理学家和实验物理学家一同努力,建构了一套体系,在这套体系里,统一了强相互作用,弱相互作用,电磁力。也就是说,除了引力之外的三个作用力都实现了统一。

而这个问题就和弱力有关,是弱力确保了电子不会进入到原子核当中。那具体是咋回事呢?这样从中子和质子说起。我们知道,中子和质子其实并不是基本粒子,它们内部还有夸克,它们虽然都是3个夸克构成的。但是夸克和夸克之间也有不同,由于这个差异的存在,中子的质量要比质子的质量大一点。也正是这一点点的差异,维持了原子核的稳定性。那是如何做到维持稳定性的呢?

在我们这个宇宙里,其实有个趋势,就是从事从高能量状态往低能量状态的方向发展,这就好比水往低处流是一个道理。根据爱因斯坦的质能方程。

我们知道,中子的能量更高,所以能量其实可以从高的状态(中子)走向低的状态(质子和电子)。事实上,也是这样。中子在原子核内很稳定,但是如果你把中子放置在一个什么都没有的地方,它大概也就是15分钟左右就会分解成质子和中子。

但是,如果你想将质子和电子转变成中子,就需要额外输入能量。我们拿氢原子来举例,氢原子核内只有一个质子,之所以质子没有变成中子,就是因为质子和电子比中子轻。所以,本质上看,保证电子不会进入原子核内,是因为夸克在质量上的差异。

其实中子的衰变是很常见的。这其实和辐射常常联系到一起,宇宙中存在α射线、β射线和γ射线。α射线、β射线释放出来的是粒子,而γ射线释放出来的是能量。α射线是氦核、β射线是电子流,他们很容易就被挡下来,而γ射线的穿透力极强。

在负β衰变中,原子核中的一个中子会转变成一个质子,并且释放出一个电子。电子会以非常高的能量状态从原子核内释放出去。但是其实因为中子突然变成质子,会处于不稳定的状态。于是,就会通过电磁波的形式释放出多余的能量,这个多余的能量也就是γ射线。

这样的情况常常发生在不稳定的铯转变为钡的过程当中,核电站事故其实也有这样的过程。

所以,我们来总结一下,电子不会进入原子核,是因为中子的质量比电子和质子加起来都高,根据爱因斯坦的质能方程,能量一般都是从高能量的状态(中子)向低能量状态(电子和质子)发生转变,这才保证了电子不会进入原子核中。而之所以中子和质子的质量有差异,是因为构成它们的夸克质量有差异。

那什么情况下会出现电子进入原子核呢?其实这种情况还蛮多的。最常见的就是中子星。具体来说是这样的,一般来说恒星的一生都是和引力斗争的一生。恒星内部发生核聚变反应产生向外的压力,以此来对于自身引力。但是随着核聚变反应的进行,会有大量质量亏损,就拿太阳来说吧,每秒钟就有400万多吨的质量亏损。引力和质量是直接相关的,因此时间长了,引力反倒会控制不住核聚变反应,于是,恒星就会膨胀起来,把一部分物质抛洒出去,在因为引力的作用,又进行下一轮核聚变反应。一开始的反应是氢核聚变,氢生成氦-4。

之后,其实就是一直往高顺位的元素发展,一直到铁。铁的核聚变反应所需要的能量比反应之后释放的能量还要多,所以铁极其稳定,很多恒星都停在这个阶段就进行不下去了。但是也有一种情况,那就是这时候的质量极其大,依旧能让反应进行,就会发生超新星爆炸。

这之后,恒星就有可能称为一颗中子星。之所以会这样,是因为引力太大,把电子都往原子核内压,电子简并力无法对抗引力,就被压到了原子核内。所以,中子的密度极其大,一立方厘米的中子星就有10亿吨重,一勺子中子星就差不多要有5亿吨重。

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