原子的内部空间完全是真空的,但为什么原子没有因此而塌缩呢?
这是一个极为重要的问题,而正是对这个问题的回答最终产生了量子力学。
首先我们看看太阳系为什么没有坍塌,因为太阳系也几乎是真空的。牛顿的回答是这样的:虽然万有引力使得太阳对太阳系内的天体都有引力,但是包括地球在内的天体绕着太阳的运动的离心力和引力达到了平衡,使得这些天体不会坍塌到太阳上。但是如果用广义相对论考察这些天体的运动,我们就会发现,这些天体的运动必然会产生引力波损失能量,最终太阳系还是会坍塌的。当然详细的计算表明,依靠引力波损失能量的时间尺度会太长,很可能太阳本身的演化最终会导致太阳系瓦解掉。
最开始物理学家卢瑟福也是试图用太阳系的模型来理解原子为什么不塌缩的。原子核带有正电荷,而电子的电荷的负的,所以原子核和电子之间有吸引力,类似太阳对行星的吸引力。电子为了不掉到原子核上,就必须绕着原子核高速运动,让离心力和吸引力达到平衡。但是这有一个严重的问题,那就是电子绕着原子核运动就是加速运动,而电荷的加速运动必然会产生电磁波辐射。按照麦克斯韦的电磁场理论进行计算,立刻就发现电子的电磁波辐射会很强,几乎瞬时就会损失掉全部的动能落到原子核上,也就是稳定的原子不可能存在!这显然是荒谬的!
那么怎么办?物理学家波尔就提出了关于原子的最早的量子模型:电子在原子核内并不是绕着原子核做疯狂的圆周运动,而是处于一些稳定的轨道上,在这些轨道上不会产生电磁波辐射,只有电子在这些稳定的轨道(也称为能级)之间跳动(也称为跃迁)时,才吸收或者发出光子,光子的能量就是两个轨道的能级之差,因此光子的能量就是量子化的,这就是最早的波尔原子模型,根据这个模型计算的氢原子的光谱和实验观测到的非常一致。当然现在量子力学比当初波尔提出来的时候复杂和完善了很多,我就不在这里介绍了。由于波尔当时的这个思想是革命性的,就靠着这个工作获得了诺贝尔物理学奖。
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