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来到我们稍微熟悉一点的地方: 但请坐稳了 因为我要告诉你一个让你怀疑人生的事实: 你手中的苹果,99.99%都是空的 科学家终于用极度精密的激光技术 它根本不是我们在学校里看到的那个“行星绕太阳”的模型 它是一团幽灵般的云雾 一系列重叠的环、回旋和间隙 这不是电子本身 如果你能把苹果放大到原子级别 你会发现原子核只有一粒灰尘那么大 而电子则在几公里外的轨道上游荡 既然全是空的 为什么你的手能感觉到苹果是硬的? 为什么你不会穿墙而过? 当你觉得手指触碰到了苹果皮 其实是你手指原子的电子云 和苹果原子的电子云之间 产生了强烈的电磁排斥力 你这一生,从未真正拥抱过任何人 从未真正亲吻过任何人 你感受到的,仅仅是电磁力的拒绝 我们要感谢那位总是炸掉实验室的天才 年轻的玻尔在化学实验室里是个灾难 他总是把不该混合的药水混在一起 每当大楼里传来闷响 同学们就会说:“哦 幸好,他后来转向了理论物理 如果电子像行星一样绕着原子核转 它们应该会失去能量坠毁 为了拯救原子,他引入了量子的概念: 电子只能待在特定的轨道上 这就像你站在楼梯上 你只能站在台阶上 这就是为什么原子有固定的大小 为什么苹果是这么大 但是,如果我们不顾一切 非要往那粒灰尘大小的原子核里钻呢? 我们会看到宇宙中最暴力的景象 原子核里塞满了质子和中子 这种巨大的静电斥力应该瞬间把原子核炸得粉碎 1934年 日本物理学家汤川秀树在无数个失眠的夜里苦思冥想 突然,在深夜 就像“日光驱散了晨雾”。 一定有一种更强大的力 强行把它们按在了一起 这种力是如此巨大 如果能释放出一个三明治里所有原子的结合能 那威力足以夷平一座城市 而在这之下,是夸克的领地 那座像哥特式教堂一样的建筑里 科学家们花了20年 终于找到了最后一块拼图,顶夸克 这种粒子重得吓人 但它只存在了极短的一瞬间 正是这些夸克和胶子 你看,原子不是一个简单的小球 它是一座由量子规则限制轨道 由电磁力伪装实体 由强核力锁死核心的精密要塞 让我们跨越到最不可思议的尺度 这是一个关于“涌现”的故事 这是“玩法”的彻底改变 在微观世界 但在生命尺度,一堆毫无思想的原子 怎么凑在一起就变成了会思考的你? 数学家约翰·康威发明了一个“生命游戏”。 它会孤独而死; 如果太多,它会拥挤而死; 就这么简单的规则 居然在计算机上演化出了极度复杂的图案 甚至能模拟出一台计算机 你就是原
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电子围绕原子核的运动方式,压根和太阳系模型不沾边。它远远超出了人类的想象,非常复杂,以至于科学家觉得电子就像鬼魂一样。电子没有简单的椭圆轨道,它们围绕原子核的路径非常复杂且不断变化。 这是量子力学研究出的结果,而不是经典力学可以描述的简单轨道运动。电子没有确定的位置和动量,它们的行为更像是一个概率云。只有在测量时,电子才会表现出粒子性质,出现在一个确定的位置。否则,它们的运动将服从量子波动方程。 电子形成一个云团围绕原子核,表示它们可能出现的区域。但在这些区域内,电子的运动是剧烈的,几乎是随机的,没有特定的路径。即使是最先进的仪器也无法准确地捕捉到电子运动的状态。这就像在一个漆黑的房间里试图追赶一只飞蛾一样,你没有办法知道它下一秒会飞到哪里。 电子本质上表现出波动性质,只有在与其他粒子相互作用时才表现为点粒子。 因此,科学家把电子描述为“云中的点”或“鬼魂粒子”。我们无法直接观察到电子的运动,只能通过计算它们的波函数来得到它们可能位置的概率分布。这个概念是高度反直觉的,但却是量子力学的基石。它完全改变了我们对物质结构的认识。 电子就像鬼魂一样神秘地出现和消失,引发了微观世界中各种超自然现象。 或许这才是宇宙的真正面目:超越直觉和想象。#科普一下 #探索宇宙 #量子力学 #宇宙未解之谜
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原子由原子核和电子组成,原子核带正电,电子带负电。这种带电的状态使得原子核能够对电子产生强烈的吸引力。那么,为何电子不会被吸引进原子核呢? 电子之所以不会被原子核吸引进去,主要是因为量子力学的原理在起作用。在量子力学框架下,电子并不遵循经典物理学中的轨道运动,而是存在于原子核周围的概率云中。这个概率云描述了电子在原子中可能位置的概率分布,而不是一个确切的轨迹。 1. 能级与量子化:电子在原子中只能占据特定的能量状态,这些状态是量子化的,意味着电子只能拥有特定的能量水平。最低的能量状态称为基态,电子在基态时不会掉入原子核,因为没有更低的能量状态可以达到。 2. 波尔模型的解释:虽然波尔模型是早期对原子结构的尝试,它提出了电子在特定轨道上运动,不释放能量就不会掉入原子核的概念,这与量子力学的解释相呼应,即电子在特定轨道(能级)上是稳定的。 3. 量子力学的排斥力:虽然电子被原子核的正电荷吸引,但电子之间的泡利不相容原理也起作用,不允许两个电子占据完全相同的量子状态,这在多电子原子中尤为重要。此外,电子的波函数特性意味着它们在原子核附近的存在概率不是连续的,而是量子化的。 4. 屏蔽效应与有效核电荷:在多电子原子中,外层电子受到内层电子的屏蔽效应,感受到的不是全部的正核电荷,而是“有效核电荷”,这减少了它们向原子核靠拢的趋势。 5. 量子隧穿效应:尽管电子在理论上有可能通过隧穿效应穿过能量屏障,但这种概率非常低,不足以让电子频繁地进入原子核。 因此,尽管原子核与电子之间存在强大的电吸引力,量子力学的规则确保了电子在原子中的稳定分布,避免了它们被吸引到原子核内部。#物理思想# #最喜欢的物理# #电子为什么不会掉进原子核# 电子为什么不会掉进原子核
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为什么电子不会“啪”一下掉进原子核? 想象一下原子:一个又小又重的原子核在中心,外面环绕着轻飘飘的电子。就像一个微型的太阳系,太阳(原子核)在中间,行星(电子)绕着转。 问题来了: 1. 经典物理的烦恼: 按照我们熟悉的物理规则(比如电学),电子绕着原子核转,就像卫星绕着地球转。但是,电子是带电的,它这样转圈就是在做加速运动!物理学家麦克斯韦告诉我们,加速运动的带电粒子会不断向外辐射电磁波(也就是光子),损失能量。就像卫星如果不断损失能量,轨道就会越来越低,最后“咣当”撞上地球。 2. 小朋友的灵魂拷问: 那电子是不是也应该不断损失能量,越转越慢,轨道越来越低,最后“啪”的一声掉进原子核里,整个原子就塌了?那我们,还有所有的东西,不就都不存在了吗? 这确实是个大问题! 它曾经难倒了很多科学家。幸好,量子力学给了我们一个全新的、非常奇妙的世界观来解释这一切: 答案的核心:电子根本不是在“绕圈圈”,它更像一团“概率云”! 1. 抛弃“轨道”,拥抱“云朵”: 量子力学告诉我们,电子不像一颗小石子有确定的位置和速度。它更像一团模糊的、弥散开来的“概率云”!我们只能说,在原子核周围的某个地方,“找到”电子的概率有多大。离原子核近的地方概率高一点,远的地方低一点,但永远不会是零(除了某些特定角度)。这张“概率地图”的形状,就是电子所处的“轨道”(更准确叫“能级”或“轨道”)。 2. 基态“云”:最稳当的窝: 能量最低、最稳当的状态叫“基态”。对于最简单的氢原子,基态电子的概率云像一个球壳,均匀地包裹在原子核外面。它并没有一个“绕圈”的角动量(就像地球绕太阳转的那种动量)。从某种意义上说,在这个基态“云”里,电子其实已经有一部分“在”原子核里面了! 没错,你没听错!基态电子出现在原子核内部的概率虽然很小,但不是零。 3. “掉不下去”的秘密: * 能量最低原则: 电子总是想呆在能量最低、最舒服的状态。基态就是这个能量最低点。它没有一个能量更低的“坑”可以掉进去(除非发生后面提到的那种特殊反应)。 * 量子“台阶”: 能量不是连续的,而是一份一份、像台阶一样(量子化)。电子只能呆在这些特定的“台阶”(能级)上。基态就是最底下的那个台阶。下面没有更矮的台阶让它“掉”下去。 * 角动量的“屏障”(对于非基态): 对于能量更高的电子态(比如氢原子的2p态)
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