回答这个问题就要祭出普朗克曾经描述这世界说过的一句话了——世界是不连续的。
确实,原子内部除了中心的原子核,其他空间几乎不存在什么。有人做过一种比喻来形容原子的结构——原子核相当于篮球场中央的一个乒乓球,电子就相当于球场其他地方乱跳的豌豆,这相当于原子内部空间近乎真空。
上图是原子经典力学里的模型,这种模型实际上来讲比例也不对,也和真实的原子结构有很大区别,比如所谓的电子轨道是不存在的,这只是我们为了在解决某些低层次问题的方便。
实际上,题主问题的另一个表达可以是——绕原子核旋转的电子为什么没有坠向原子核,实现原子的坍缩呢?
这问题和'世界是不连续的'的这种哲理式的陈述有什么关系?且听我慢慢讲来。
实际上,题主的困惑也是100多年前一群物理学家的疑问,他们都是那个时代智慧的代表。这一问可不得了,它直接催生了现代物理学的一大支柱——量子力学。
对于这个问题,普通大众直观的理解就是很疑惑——这近乎中空的结构,没什么支撑也不塌?这很现实,很宏观,也确实,没有人能觉得自家的房子没了柱子横梁还能立着!
但实际的微观世界和宏观世界有相似的地方,也有很多不同的地方。
比如我们这里的原子坍缩问题能参考的则是更宏观,和原子结构模型更相似的太阳系模型,而不是自家没了顶梁柱的房子能不能住的问题。
确实,100多年前的卢瑟福就是凭借原子模型和太阳系模型的相似而成为第一个站出来解释的人——他认为原子和太阳系一样,太阳通过引力吸引着各大行星,行星们为了不撞向太阳,就得以一定的速度绕太阳公转,只要速度合适,行星们就能稳定下来,不会撞向太阳。
同样的,原子核和电子的电磁力也可以比作太阳和行星作用的引力,所以电子的稳定也是因为它绕原子核的高速运动,当离心力和吸引力平衡了电子也就不会撞向原子核,实现原子的坍缩。
但问题的关键是电子和地球不一样的是,电子绕核运动因为做变速运动时,作为电荷的本身就会产生变化的电流,然后又是产生变化的磁场,于是电磁波就出来了,这辐射出的电磁波能量相对于电子原来有的是占了很大比重的!
即便是圆周运动也属于物理上的变速运动,何况电子按照经典模型研究也不是严格意义上圆周运动。另外,地球的公转实际上也在辐射和电磁波类似的引力波,但量太少,对实际的地球轨道影响不大,电子不一样,本身个头就小。
于是,卢瑟福说的全是扯淡,必须重新找新的理论来解释为什么电子不撞向原子核!于是量子力学开始初现雏形,登上历史的舞台。
量子力学不懂不要紧,我们只要知道它给我们描述的真实世界最基本的思想就是原子辐射的能量是一份一份的,而不是普遍人们认为的连续,这样的理论就是普朗克那句陈述句的哲理式表达。
那么,为什么能量的不连续能解决原子不坍缩的问题?
在量子力学里,电子在原子内部辐射一份一份能量的过程称为量子跃迁。量子跃迁之所以能进行,关键在于电子辐射能量恰好等于能级的差值。
如果这个值没有相对应的能级差,这种电磁辐射是被绝对禁止的。
在能级里,有一个叫做基态的能级,它是电子最稳定的轨道,也是最接近原子核的轨道。这里的电子不会再相外辐射能量,跃迁到更低的能级,这就是原子不坍缩的关键原因。
在基态的电子,只能接受辐射又跃迁到更高的轨道。
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