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原子内部,电子为什么不会掉入原子核

时间:2024-04-20 18:52:34 浏览量:21726

    氚核β衰变

    原子内部,电子为什么不会掉入原子核?怎么解释β衰变?

    我们从初中开始学习物理课和化学课时,就会学到比较初级版本的原子结构,这个原子结构大概是下面这样:

    老师一般会告诉你,原子是由原子核和电子构成的,而原子核带正电,电子带负电。所以,其实这里就隐含着一个问题,既然原子核带正电,电子带负电,那根据异性相吸的道理,电子应该会掉落到原子核内才对呀?

    关于这个问题,困扰着科学家也蛮久的,原子模型的最终确立,经历了好几代科学家的努力。而我们学到的版本是波尔的原子模型的,这个模型没能解决这个问题。后来,波尔的学生海森堡提出了不确定性原理,他认为,电子并没有特点的轨道,而是同时在各个位置,呈现概率云的特点。

    但是,不确定性原理也没有解决这个问题。真正解决这个问题的是爱因斯坦的质能等价、能量最低原理、泡利不相容原理。那这些原理到底是啥意思呢?

    我们接下来,一个个来聊一聊就能知道为什么电子不会落入到原子核内了。

    质能等价&能量最低原理

    首先,我们要搞清楚一个点,那就是原子核内是有质子和中子的,而质子和中子其实还可以再分,它们都是有三个夸克构成的。而夸克被强相互作用力束缚在质子和中子内,以至于我们没办法获得自由的夸克。

    不过,我们知道的是,夸克其实也有不同,它一共分为6味(种):上夸克、下夸克,粲夸克、奇异夸克、顶夸克、底夸克,它们还有自己的反物质粒子,也是6味(种)。

    这些夸克质量是不同的,我们可以看上图的右上角,会有xxxMeV/c^2,这其实就是表述质量的。你可能会纳闷,这个单位也太奇葩了。但如果,你仔细想想物理学中最有名的那个公式:E=mc^2,简单移项,就会得到m=E/c^2,而上图中MeV和GeV其实都是能量单位。所以,这么表述质量是成立的。这里的这个E=mc^2,我们都知道叫做质能方程。但很多人对它其实是有误会的,以为它只针对核聚变,并且是质量转化为能量。实际上,并非如此,质能方程是一个普适理论,它可以用到任何和质量、能量相关的过程当中。其次,并不存在所谓的“质量转化为能量”,实际上,爱因斯坦想表达的是,质量和能量是一回事,是一个东西的两个面。质量对应着能量/c^2,质量里有能量,能量里有质量。

    知道了这些,还需要知道一个能量最低原理,说白了,就是万物都很懒,都喜欢从高能量状态向低能量状态发展,这和水往低处流是一个道理。构成质子的夸克的总质量是要小于构成中子的夸克的总质量。根据质能等价,我们就知道质子的能量是低于中子的能量。

    不仅如此,实际上是,电子和质子的总能量其实也是小于中子的。所以,要让电子和质子反应成为中子,是需要迈过一个能量门槛的,也就是要输入能量,不可能自发的发生。而不在原子核的中子,也就是自由的中子,15分钟左右就会发生衰变,衰变成一个质子、电子、中微子,这其实也就是β衰变。

    实际上,这个β衰变也会发生在原子核内的中子,只是没有这么快,是一个随机行为。

    泡利不相容原理

    其实只要输入足够多的能量,还是可以实现让电子进入原子核的。不过,实际上你要去这么做的时候,还是会遇到阻碍,而且这个阻碍利用人类的技术很难能够克服。解释这个阻碍的理论叫做泡利不相容原理。这个理论说的是:

    两个全同的费米子(电子,夸克等)不能处于相同的量子态。

    意思是原子核外的电子的排布是遵循一定的规则的,每一排排多少个,具体怎么排都有明确的规定,不能随便插队。因此,由于泡利不相容原理,导致当要让电子进入原子核时,出现一种叫做电子简并压力,它会抵抗外力,不让电子陷入到原子核内。电子简并压力其实是另外一道坚强的堡垒,由于它的存在,我们很难能够把电子压入到原子核内。

    不过,也并不是说不可能,在宇宙中这种现象就经常出现。当恒星发展到一定阶段后,由于自身引力特别大,大到电子简并压力都无法抵抗的程度,这时候电子就会变压到原子核内。而此时的天体成为了一颗中子星。也就是或,中子星其实就成功地把电子压到了原子核内,使得电子和质子反应生成中子。也因此,中子星的密度极其大。

    最后,我们来总结一下,由于通过质能等价,我们知道电子和质子的能量总和是小于中子的能量的,根据能量最低原理,电子和质子要反应生成中子需要有能量加入,不能自然发生。又因为泡利不相容原理的存在,电子需要在原子核外好好站队,这种规则会产生一种量子效应:电子简并压力,它能够抵抗外界施加的力,电子简并压力其实也是电子不会进入原子核的最后一道保险,如果又于外界施加的力大到电子简并压力都无法抵抗,电子就会被压入原子核内,中子星就是这么来的。

    α衰变和β衰变的区别?

    α衰变是原子核自发放射α粒子的核衰变过程。

    α粒子是电荷数为2、质量数为4的氦核He。β衰变,原子核自发地放射出β粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变。放出电子的衰变过程称为β-衰变;放出正电子的衰变过程称为β 衰变原子核从核外电子壳层中俘获一个轨道电子的衰变过程称为轨道电子俘获,俘获K层电子叫K俘获,俘获L层的叫L俘获,其余类推。通常,K俘获的几率量大。在 β衰变中,原子核的质量数不变,只是电荷数改变了一个单位。反应方程式:14N 4He→17O 1H)反应方程式:9Be 4He→12C n)...其他我也不会...

    高中物理,高考中,如果给出β衰变,那一般写β 衰变还是β-衰变还是轨道电子俘获(EC)?

    高中物理讲的都是 β- 衰变, 不写β 衰变和轨道电子俘获。

    除非有专门的题目让你写,但是也会首先讲解什么是β 衰变和轨道电子俘获。通常所说的β衰变,指的都是β- 衰变,因为这种衰变很常见。β- 衰变是指中子转化为质子和电子,质量数不变,核电荷 1 β 衰变指质子转化为中子和正电子,质量数不变,核电荷-1 轨道电子俘获是原子核中的一个质子俘获了原子内层轨道上的一个电子,变成中子,质量数不变,核电荷-1 β 衰变和轨道电子俘获的结果是相同的,但前者放出γ射线,后者放出X射线。

    β衰变释放还是得到电子?

    β衰变是好几种核反应的统称。

    其中,β-衰变释放电子,β 衰变释放正电子,轨道电子俘获吸收轨道电子。高中所说的β衰变特指β-衰变。β-衰变的特点是,新核的质量数不变,电荷数增加1,原子序数增加1

    放射性元素衰变时,从原子核中放出的电子或正电子是从哪里来的?

    β衰变分为β 衰变、β-衰变和轨道电子俘获.在β 衰变中,原子核中的一个质子放出一个正电子和一个中微子而成为中子,同时原子序数也减去1.就是一种β-衰变;在β-衰变中,原子核中的一个中子放出一个电子和一个反中微子而成为质子,同时原子序数也加上1.轨道电子俘获是指原子核俘获了核外内层电子轨道上的一个电子,并同时放出一个中微子,从而使原子序数减去1.

    β衰变放出的电子能量有什么特点?造成这一现象的原因是什么?

    β衰变是一种放射性衰变。在此过程中,一个原子核释放一个β粒子(电子或者正电子),分为β 衰变(释放正电子)和β-衰变(释放电子)。β-衰变中,弱相互作用把一个中子转变成一个质子,一个电子和一个反电子中微子。其实质是一个下夸克通过释放一个W-玻色子转变成一个上夸克。W-玻色子随后衰变成一个电子和一个反电子中微子。

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