1897年，約瑟夫·湯姆孫透過測(cè)定陰極射線在磁場(chǎng)和電場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)，這是人類第一次確定世界上存在著一類被稱為電子的奇異粒子。
陰極射線，即電子流在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。使用熒光板顯示電子流的運(yùn)動(dòng)軌跡。
由于原子不帶有凈電荷，即電中性狀態(tài)。因此在原子中必然存在能中和電子電荷的物質(zhì)，不過那時(shí)候沒人知道它是什么東西。因此，電子的發(fā)現(xiàn)者湯姆孫提出了一個(gè)新的簡(jiǎn)單的原子模型。簡(jiǎn)稱為布丁模型，帶負(fù)電的電子和帶正電的神秘物質(zhì)間隔鑲嵌在一起，沒有什么運(yùn)動(dòng)，也沒有原子核這樣的概念。
革命性發(fā)現(xiàn)在1909年到來，漢斯·蓋革（就是后來發(fā)明測(cè)量核輻射強(qiáng)度的那個(gè)蓋革）和歐內(nèi)斯特·馬士登在歐內(nèi)斯特·盧瑟福的指導(dǎo)下，在英國曼徹斯特大學(xué)做了一個(gè)徹底改變?nèi)藗儗?duì)原子結(jié)構(gòu)想象的實(shí)驗(yàn)，從此拉開了量子力學(xué)這頭怪獸的誕生的序幕，一個(gè)奇異的亞原子世界就此揭開了自己的面紗。
實(shí)驗(yàn)是用天然輻射元素產(chǎn)生的α粒子去轟擊金箔，在詭異的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)之前，沒人想到湯普孫提出的布丁模型會(huì)錯(cuò)得如此離譜。與其說湯普孫錯(cuò)得離譜，不如說原子的詭異程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)料。實(shí)驗(yàn)顯示，絕大多數(shù)α粒子被金原子散射的偏向很小，但少數(shù)的偏向角很大甚至大于90度。而唯一合乎邏輯的推論只能是，原子的大部分體積是空的，而原子的主要物質(zhì)以及質(zhì)量都集中在一個(gè)極其微小的區(qū)域中。
雖然原子本身已經(jīng)很小了，但構(gòu)成原子的物質(zhì)應(yīng)該更小，原子核的體積據(jù)估算只占原子的數(shù)千億分之一。也許你認(rèn)為，這簡(jiǎn)直是件不可能的事情，因?yàn)檫@意味著世間萬物基本都是空的不成？比如，對(duì)面的墻壁，其實(shí)絕大多數(shù)體積都是空無一物？的確如此，當(dāng)然你并不能因此穿墻而過，是因?yàn)槟阋餐瑯涌諢o一物，而不夠凝實(shí)，如果你像α粒子那么實(shí)在，你自然就可以穿墻而過了。實(shí)際上，天文學(xué)可以證明原子核模型的正確性，因?yàn)樘煳膶W(xué)家觀察到一類奇異的星體：白矮星，它們的質(zhì)量大多只有約半個(gè)太陽那么大，但體積卻只有地球這么小，這樣的物質(zhì)密度可就實(shí)在太超乎尋常。
白矮星上的物質(zhì)，一立方厘米大約是一噸重，因?yàn)樗幱陔娮雍?jiǎn)并態(tài)，簡(jiǎn)單的說可以認(rèn)為在強(qiáng)大的引力下，將原子核擠壓到了一起緊密排列，原子體積大幅度縮水，而原子中的電子則被擠壓了出來，變成類似金屬中自由電子的狀態(tài)，常被稱為超金屬狀態(tài)。而目前人類可以在實(shí)驗(yàn)室中制造處于超金屬狀態(tài)的氫——金屬氫，而金屬氫也許會(huì)有許多奇異的性質(zhì)能讓人類加以利用。因此世界各國都在嘗試制造金屬氫。到此，我們可以認(rèn)為新的原子核模型基本是正確的了。
2017年初，哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，首次制得固態(tài)金屬氫。
2017年2月22日，由于操作失誤，這塊金屬氫樣本消失了。
但當(dāng)盧瑟福提出原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的太陽系模型后，物理學(xué)就遇到麻煩了。因?yàn)榘凑諒那暗睦碚撚?jì)算出的結(jié)果是，電子不可能長(zhǎng)時(shí)間維持穩(wěn)定的軌道圍繞著原子核運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)殡娮釉谶@種運(yùn)動(dòng)中并非處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而是處在加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么它就會(huì)開始向外輻射能量，伴隨著能量的喪失，它的軌道必然會(huì)越來越靠近原子核，并且速度會(huì)越來越慢，最終一定會(huì)落到原子核里去，這個(gè)過程發(fā)生的速度是如此之快，以至于宇宙中根本不會(huì)存在現(xiàn)在我們熟悉的這類原子。
所以，電子軌道的不穩(wěn)定性，與原子核對(duì)電子的吸引無關(guān)，就像太陽吸引地球，但地球并不會(huì)因此就簡(jiǎn)單的被太陽吸引進(jìn)去，只要地球能維持住自己的軌道和繞行速度就行。
而解決電子災(zāi)難性的喪失能量的方案，由玻爾提出盧瑟福推薦而發(fā)表的。在玻爾模型中，電子不能隨意釋放能量，它必須按照固定的能級(jí)來釋放，即能量的釋放不是連續(xù)的而是所謂量子式的，其實(shí)在這個(gè)層面理解量子這個(gè)詞很簡(jiǎn)單，就像我們子生活中使用的貨幣，它的最小值是一分錢。同樣，電子釋放能量的時(shí)候，如果低于最小值，那這個(gè)能量就無法被釋放出去，于是電子就不會(huì)失去能量，然后它就能保持住穩(wěn)定的軌道了。而且，依照同樣的邏輯，電子的軌道也就不能是連續(xù)任意的，而同樣必須遵循一個(gè)固有的軌道能差模式分布在原子核周圍。從這個(gè)簡(jiǎn)單的解釋開始，圍繞著原子的神秘之處，量子力學(xué)拉開了帷幕。
我原來和你一樣有這樣的困惑，查了了一些資料，結(jié)合最新的量子理論解釋一下
首先有個(gè)概念可能誤解了我們，我們總是把原子中的電子，原子核想象成宏觀物體，比如地球繞著太陽轉(zhuǎn)，這個(gè)叫軌道模型，其實(shí)這個(gè)是不正確的，軌道模型是不正確的，這個(gè)理論已經(jīng)淘汰了，誤解了很多人
首先要說測(cè)不準(zhǔn)定理，也就說至于電子在哪并不能用行星軌道計(jì)算方式來推算，但從統(tǒng)計(jì)學(xué)來說，出現(xiàn)在哪里的概率是一定的，多次測(cè)量繪制成圖就是著名的電子云圖
說它是微粒，因?yàn)樗鼙环瓷?。說它是波，通過雙縫會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。它是物質(zhì)波。
目前還是薛定諤的波動(dòng)方程理論運(yùn)用最多，一般這樣理解，在沒有測(cè)量之前電子是波，測(cè)量是它就“塌縮”為粒子，薛定諤的貓就是一個(gè)例子，對(duì)于微觀世界，已經(jīng)不能用宏觀的概念來理解了（具體情況自行百度），一只貓即是死又是活處于疊加態(tài)。
所以現(xiàn)在很多理論都在解釋這些讓人費(fèi)解的問題，平行宇宙理論，弦理論等等，但這些都沒法證實(shí)，還不被廣泛認(rèn)可
最后我要說的是雖然量子理論這么玄，有很多還無法證實(shí)，但應(yīng)用已經(jīng)開始了，就像前面說的，雖然不知道電子每一次的確定位置，但統(tǒng)計(jì)的概率是不變的
其實(shí)電子是會(huì)吸引到原子核里面的，只是極多數(shù)情況下電子圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力等于吸引力，掉進(jìn)去的概率極其低，滿足一定條件時(shí)，電子時(shí)會(huì)掉進(jìn)原子核的。當(dāng)氫原子外電子掉進(jìn)原子核里，就變成了一個(gè)中子，中子會(huì)瞬間與周圍的其它原子結(jié)合，生成其它原子的同位素，例如氫原子有氕氘氚三種同位素。還有，當(dāng)一定質(zhì)量的恒星燃燒完，就會(huì)形成只有中子的中子星。
這個(gè)問題問的很好！不過抱歉，想要簡(jiǎn)單點(diǎn)兒的答案臣妾做不到?。菏聦?shí)上，這甚至都無法用常識(shí)去解釋！為了便于你理解，姐姐先給你講點(diǎn)歷史吧：
在1900年前后，正是大量的新發(fā)現(xiàn)和理念蓬勃涌現(xiàn)、相互激蕩碰撞的年代。首先是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋對(duì)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的理解。他著名的麥克斯韋方程組描述了人們可以測(cè)量的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并且明確預(yù)測(cè)了兩個(gè)重要的結(jié)論：
1、時(shí)變電場(chǎng)如何產(chǎn)生磁場(chǎng)，以及時(shí)變磁場(chǎng)如何產(chǎn)生電場(chǎng)。因此，電磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電磁波以固定的速度在空間中傳播，該速度可以通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)量出的基本常數(shù)計(jì)算得出。由此而產(chǎn)生的波被稱為光波，或是無線電波——只是頻率不同，其恒定的速度為光速。這里有個(gè)問題哈，因?yàn)榇蠹叶贾溃姶挪ㄔ诮橘|(zhì)中的傳播是“擺動(dòng)式”的，在麥斯威爾理論中曾提到過電磁波是不需要介質(zhì)的。大多數(shù)人把它稱為“以太假說”，或許只是我們還沒有發(fā)現(xiàn)吧，當(dāng)然，這就是另外一個(gè)故事了……
2、加速電荷是產(chǎn)生電磁波最簡(jiǎn)單的方法。只要加速電荷就能產(chǎn)生電磁波，并在這個(gè)過程中釋放掉它們的能量。
然后約瑟夫·約翰·湯姆森發(fā)現(xiàn)了電子，他認(rèn)為電子的質(zhì)量非常輕，即便和最輕的原子相比，帶負(fù)電荷的顆粒質(zhì)量依舊小的可憐，它是原子的組成元素。原子是非常穩(wěn)定的，因此正電荷就像布丁一樣松軟，而電子就像嵌在布丁里的葡萄干。當(dāng)然還有其他的可能性，比如電子繞著一個(gè)體積小質(zhì)量大的原子核運(yùn)動(dòng)，則意味著電子會(huì)不斷向著原子核加速，這和月亮不斷向著地球加速運(yùn)行是一個(gè)道理。也就是說電子會(huì)釋放它們的動(dòng)能，在大約十億分之一秒的時(shí)間內(nèi)盤旋進(jìn)入原子核。
而后，歐內(nèi)斯特·盧瑟福通過將α粒子從原子核上反彈回去的實(shí)驗(yàn)，證明與原子相比，原子核非常的小，“葡萄干布丁”的原子核模型是錯(cuò)誤的！
因此，我們遇到了一道令人費(fèi)解的難題：在此之前，最成功的物理理論——經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，很肯定的預(yù)測(cè)原子結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，但事實(shí)上，它們非常穩(wěn)定！
可想而知，很多人都借此提出了大量瘋狂的理論設(shè)想。過了一段時(shí)間，尼爾斯·波爾提出了一個(gè)更為大膽的理論，他認(rèn)為問題的關(guān)鍵在于角動(dòng)量的量子化條件：電子繞核運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量不能取任意值，只能取普朗克常數(shù)的整數(shù)倍。再結(jié)合路易維克多·德布羅意所提出的假說：德布羅意認(rèn)為電子具有類波屬性，λ= H / Pλ= H / P，其中H = 2π?H = 2π?，PP是電子的動(dòng)量，這意味著電子的“波動(dòng)性”導(dǎo)致其在原子核的周圍形成了環(huán)繞原子核的閉環(huán)，即駐波。它反映出了波長(zhǎng)和動(dòng)量的關(guān)系公式，很好的解釋了發(fā)射光的光譜。
由此誕生出了量子力學(xué)，我相信你已經(jīng)學(xué)過了哈。從那時(shí)起，大批物理學(xué)家拼了命都想搞明白這個(gè)小家伙的一切奧秘。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，我們發(fā)現(xiàn)它永遠(yuǎn)都不會(huì)符合我們的常識(shí)認(rèn)知，我所說的“常識(shí)”，是你所以為的“那些看得見摸得著的東東”。因?yàn)檫@個(gè)小家伙的運(yùn)動(dòng)模式顯然和那些東東完全不同。普朗克常數(shù)為物理學(xué)設(shè)定了一個(gè)范圍，這在以前也是不可想象的。
支持原子內(nèi)的力不僅僅有電磁力，還有強(qiáng)力，弱力，如果電子落到核內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致核內(nèi)能量失衡，原本帶正電的質(zhì)子轉(zhuǎn)化為無電菏的中子，原本原子中質(zhì)子與中子的平衡會(huì)被打破，而該過程可能需要克服強(qiáng)力做功，而克服強(qiáng)力做功需要極大能量，根據(jù)第三定律，能量不可能無故產(chǎn)生，所以這部分能量需要電子承擔(dān)，電子無法承擔(dān)這么大的能量，所以結(jié)果就是他便不能落到核內(nèi)，這個(gè)應(yīng)該和核聚變很像。（大概推測(cè)原因，實(shí)際沒人能找到其中原因，這大概是世界的定理吧？）
一個(gè)籃球快速向你飛來，你是抓不住的。但籃球呈拋物線慢慢向你飛來，你就能接住了。物體動(dòng)能越大，就越難以被控制，這是常識(shí)。
電子也是這樣。越重的電子（吸收光子越多的電子）動(dòng)能就越大，越不容易被原子核抓住。當(dāng)原子接收不到光子，無法補(bǔ)充量的時(shí)候，電子必然會(huì)放出光子，損失動(dòng)能。當(dāng)動(dòng)能損失太大的時(shí)候，就會(huì)被原子核捕獲啦。
1個(gè)質(zhì)子只能捕獲1個(gè)電子，而形成中子。當(dāng)核外電子全被捕獲，原子核呈電中性，就無法吸引多余的電子啦。此時(shí)施加電壓時(shí)，電子不受阻礙，就產(chǎn)生超導(dǎo)啦。
我來試試回答這等好問題:如果要回答這個(gè)問題，你就必須搞清楚電子是什么，原子核是什么，它們的本質(zhì)界限是什么。這樣看，這個(gè)問題實(shí)在是大了去了！我只能簡(jiǎn)短地告訴你:這個(gè)世界的本質(zhì)就是能量作用空間，造成空間拉伸，具有拉伸方向性的空間們相互間會(huì)有自己獨(dú)立的性質(zhì)，比如同性相斥異性相吸，而，這些性質(zhì)在立體空間里有層次，也就是一層套一層，如同太陽的磁場(chǎng)套著地球磁場(chǎng)由于它們是直接接觸，所以磁場(chǎng)方向互為相反。原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是如此層層相套，由于兩個(gè)或兩個(gè)以上的這種多層空間相互靠近時(shí)，在層間交界面上會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)無法調(diào)節(jié)的排斥面，這就形成物質(zhì)體積。電子相對(duì)原子核，它們不是同一層級(jí)的空間性質(zhì)，當(dāng)然，如果原子核內(nèi)還有更核心的空間，那么原子核內(nèi)是有核內(nèi)電子的，但是它與核外電子在能量級(jí)別上對(duì)比是天壤之差，絕不是能夠互相轉(zhuǎn)換的。有興趣可以閱讀niuniu1924美國中文網(wǎng)博客。
電子沒有被吸到原子里面，是因?yàn)殡娮釉谄滠壍郎线\(yùn)行，就好象地球在軌道上跑，和太陽的引力平衡了，不會(huì)被拉進(jìn)太陽。假如有強(qiáng)大力量把地球推近了太陽，那么平衡打破了，太陽引力占上風(fēng)，地球就會(huì)被拉向太陽，最終被吞掉。電子和原子核的關(guān)系，大概也是這個(gè)樣子。但電子要想兼并入原子核里面，卻是非常不容易。白矮星原子核與電子平衡打破的例子，所有原子核都緊挨成一個(gè)大球，電子則全部被擠到外層，緊裹著這個(gè)球體。但電子進(jìn)不了原子核，只有當(dāng)白矮星質(zhì)量進(jìn)一步增加，內(nèi)部引力強(qiáng)大到把電子兼并進(jìn)質(zhì)子中，這時(shí)質(zhì)子變成了中子，電子和質(zhì)子都沒有了，變成了一顆中子星
這和月球軌道一樣神奇。據(jù)美國天體物理學(xué)家說,這個(gè)持續(xù)了數(shù)十年的疑問可能終于有了答案.對(duì)月球如何形成的普遍看法基于以下設(shè)想：一個(gè)體積如火星大小的巨大天體在45億年前撞擊地球,產(chǎn)生出一團(tuán)碟狀的熾熱碎片,這些碎片逐漸聚合成了月球.但是這個(gè)30多年前提出的假設(shè)產(chǎn)生了一個(gè)問題.太陽系的大多數(shù)衛(wèi)星是沿著引力最強(qiáng)的行星赤道上方圍繞行星旋轉(zhuǎn)的,但月球是個(gè)例外,它的運(yùn)行軌道相對(duì)于地球赤道傾斜了10度左右.位于科羅拉多州博爾德的西南研究所認(rèn)為,問題的答案在于那次大沖撞后碎片聚合的方式.研究人員推測(cè)當(dāng)時(shí)有兩大塊物質(zhì)——一塊是剛剛形成的月球,另一塊是在那次碰撞中剩下來的由氣體和碎塊構(gòu)成的碟狀物.根據(jù)研究人員提出的模型,這兩大塊物質(zhì)相互間的引力作用使月球脫離了地球赤道上方的軌道面,而是進(jìn)入了一個(gè)傾角為10度的新軌道.
其實(shí)原子構(gòu)思圖從當(dāng)時(shí)到現(xiàn)在己經(jīng)修改過多次，原子構(gòu)思圖目是用原理解釋發(fā)電機(jī)，化學(xué)能電池電子產(chǎn)生的原理。當(dāng)時(shí)根據(jù)電池有正負(fù)極，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電子有正負(fù)極就認(rèn)為電子回路中有正電子和負(fù)電子在流動(dòng)，這就是現(xiàn)在導(dǎo)線在磁場(chǎng)中切割磁感線電子一分為二產(chǎn)生正負(fù)兩個(gè)電子的正負(fù)電子論。為適用這個(gè)理論將正電子安排在原子核內(nèi)，負(fù)電子安排在原子核外圍轉(zhuǎn)動(dòng)。其實(shí)根據(jù)物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生能量的理論，在磁場(chǎng)作用力下原子核外圍的電子逸出做回路運(yùn)動(dòng)其狀態(tài)為正，外圍中電子缺失位置狀態(tài)為負(fù)，這就是電子正負(fù)狀態(tài)論，所以一個(gè)電子不存在正負(fù)電子相互吸引問題，電子只是在做正負(fù)狀態(tài)的回路運(yùn)動(dòng)。根據(jù)電子狀態(tài)正負(fù)論原子構(gòu)思圖是否還需改動(dòng)呢？題外話，目前還查不到磁場(chǎng)住在原子那個(gè)位置，是真正的兩百多年老黑戶。
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