电子从哪里获得来围绕一个原子核旋转的能量？

By Paul Sutter 

2022/7/23

Lifes-little-mysteries

电子从前被认为像行星绕太阳运行一样绕着原子核运行。这幅图片自此已经被现代量子力学抹掉了。

当量子力学窥视了里面时我们的原子的知识被永远改变了。. (Image credit: Rost-9D via Getty Images)

一个原子最好被可视化为一个紧密的、密的原子核被嗡嗡作响的环绕电子包围绕着。这幅图片立即引出了一个问题：电子怎样保持在涡旋原子核时从来不减速呢？

这在20世纪初是一个燃烧的问题，一个寻找答案最终导致了量子力学本身的发展。

在20世纪初，在无数次实验后，物理学家才刚刚开始把一幅相干的原子图片放在一起。他们意识到每个原子都有一个致密的、沉重的、带正电的原子核，被一团微小的带负电的电子包围。考虑到这一总体图片，他们的下一步是创建一个更详细的模型。

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在这个模型的最早尝试中，科学家们从太阳系汲取了灵感，太阳系有一个密集的“核”（太阳），被一团由更小粒子（行星）的“云”包围。但这种模型引入了两个重大问题。

    首先，一个加速的带电粒子电磁射辐射。因为电子是带电粒子，它们在它们的轨道中加速，它们应该发射辐射。按照田纳西大学诺克斯维尔分校，这种发射将导致电子失去能量并迅速的向内螺旋并与原子核碰撞。在1900年代早期，物理学家估计这样一个向内螺旋将用不到万亿分之一秒即皮秒。由于原子的寿命显然比一皮秒更长，这经不会工作的。

第二个更微妙的问题不得不与辐射的性质有关。科学家们已经知道原子发射辐射，但它们是在非常离散的特定频率上这样做的。一个环绕的电子，如果它遵循这个太阳系模型反而会发射各种波长，与观测相反。

量子修复

著名的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）是第一个对这个问题提出解决方案的人。1913年，他提出了一个原子中的电子不能只是拥有它们想要的任何轨道。相反，按照诺贝尔奖对他的随后获奖的引文条目，它们必须被锁定在距离原子核非常特定距离的轨道上。此外，他提出了有一个一个电子可以达到的最小距离，并且它不能更靠近原子核。

按照佐治亚州立大学的超物理学参考页面 ，他不只是把这些想法从一个帽子拉出来。十多年前，德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）已经提出了辐射的发射可能被“量子化的”，这意味着一个物体只能以离散的块吸收或发射辐射，并且没有任何它想要的值。但是这些离散块的最小尺寸是一个常数，后来被称为普朗克常数。在此之前，科学家们认为这种发射是连续的，这意味着粒子可以以任何频率辐射。

普朗克常数具有与角动量一样的单位，或一个物体在一个圆中移动的动量。因此，玻尔对电子环绕一个原子核输入了这个想法，称一个电子的最小可能轨道将等于正好一个普朗克常数的角动量。更高的轨道可以有普朗克常数的两倍或三倍值或任何其他整数倍，但永远不会有它的任何分数（所以不是1.3或2.6等等）。

普朗克常数写出的。 (Image credit: ragsac via Getty Images)

要用量子力学的全面发展来理解为什么电子有如此小的一个轨道并明确定义的更高轨道。电子像所有物质粒子一样，行为既像粒子又像波。虽然我们可以将一个电子想象成一颗围绕原子核的微小行星，但我们刚好能容易地想象它为一个环绕原子核的波。

在一个禁闭空间中的波必须遵守特殊规则。它们不能只是有任何波长，它们必须由适合内部空间的驻波弄出。这就像当有人演奏一个乐器一样：例如，如果你固定一个吉他弦的末端，只有某些波长将适合，给你单独的音符。类似地，围绕一个原子核的电子波必须来适合，一个电子到一个原子核最近的轨道被该电子的第一个驻波给出。

量子力学的未来发展将继续完善这幅图片，但基本点仍然的：一个电子不能更靠近一个核，因为它的量子力学性质不会让它占用任何更少的空间。

添加起来的能量

但是有一种完全不同的来检查毕竟不依赖于量子力学情况的方法：只看所涉及的所有能量。围绕一个原子核运行的一个电子电上被吸引到这个原子核，它总是被拉得更近。但电子也有动能，动能起发送电子飞走的作用。

对于一个稳定的原子，这两者是处在平衡中的。事实上，轨道中一个电子的总能量即它的动能和势能的组合是负的。这意味着如果你想去除这个电子，你必须向原子添加能量。与围绕太阳轨道运行的行星是同一情况：要从太阳系中移除一颗行星，你必须对系统添加能量。

来看这种情况的一种方法是想象一个电子被它的相反的电荷吸引朝向一个原子核“下落”。但由于量子力学的规则，它永远不能到达原子核。因此它被卡住，永远环绕着。但这种场景被物理学允许，因为系统的总能量是负的，这意味着它是稳定的，并且结合在一起，形成一个持久的原子。

最初于2011年1月21日发表在Live Science上，并于2022年6月22日重写。

https://www.livescience.com/32427-where-do-electrons-get-energy-to-spin-around-an-atoms-nucleus.html