Question

电子带负电荷，原子带正电荷，为什么电子不会掉入原子核中？

Answer 1

这个问题确实是没有系统学习量子力学之前很困惑的一点。我们就简单的来说下吧！

为什么会认为电子会掉入原子核?

其实这个问题不仅仅是题主困惑，连一百多年前的物理学家就是这么认为的。著名的 原子模型枣糕模型就是这样 。

卢瑟福的散射实验证明原子里面其实绝大多数地方都是空的。电子离原子核挺远。人们才开始意识到电子不会坠入原子核！

但为什么呢?因为经典电磁学理论告诉我们 带电粒子有加速度时会释放出电磁波。那么在电子不断地释放出电磁波，必然会不断地损失能量，使得轨道越来越低，直到掉入原子核呀？

按照这个理论想，还确实是一回事。但是正是这些用经典理论无法解释的现象才促使物理新大门的打开。

其实量子力学告诉我们: 原子并不能像宏观物体一样可以释放任意小份的电磁能量。原子能够释放的能量是分立的一些值，这叫能量量子化。电子只能处在一些特定的“能级”上。所以哪怕电子带电且做着加速运动，如果将要释放的电磁能量的值不是正好等于两个能级的能量差的话，这个电磁辐射就会被禁止。所以电子可以在离原子核较远的轨道稳定运动。

真的无法掉下去吗？

看完前面你应该会想原来如此，但是我想说:稍等稍等，我要装逼了！！！

量子力学解释了为什么电子不会掉进原子核中，但是它也告诉我们事实无绝对， 电子也可以掉入原子核中(除过中子星巨大引力的那种情况)，只要超过相对论电子简并压就行了。掉进去碰上质子变成中子跟电子中微子。

如果有兴趣的话可以去了解下电子简并压，但是友情提示最好物理基础知识比较扎实。

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这个问题可以有很多种解释，其中行星模型再结合量子力学的电子概率云模型就可以很好地解释了。但是今天我们再讨论一种新颖的解释方法：核力

我们都知道，原子核中的中子和质子之所以可以稳定地结合在一起而没有分开，就是因为核力的存在。核力它是一种短程力，属于强相互作用力，比引力要强10^35倍以上，比库伦力也强的多。它的作用范围仅在约1.5*10^-15m内。核力在大于0.8*10^-15m时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过1.5*10^-15m时，核力急速下降几乎消失；而在距离小于0.8*10^-15m时，核力表现为斥力。核力与电荷属性无关、且存在饱和性。

知道了核力的性质，我们就讨论一下电子为何不掉入原子核中。因为电子虽然具有一定的动能，但是这种动能还是太小，即便是加上电子和质子之间的库仑力，都不足以克服核力能垒使电子进入原子核。当然，如果压力足够大，比如超新星爆炸时，核心的巨大压力就可以给电子足够的力克服核力能垒，从而直接把电子压入原子核然后再和质子结合形成中子。

但是，在我们正常的物质组成中，我们根本就无法给出如此大的压力，故而电子也没有足够能量克服核力能垒进入原子核。

答案：这是微观世界规律决定的，不能用经典力学去思考这个问题。

电子带负电，原子核带正电，看似异性相吸，但其中存在许多限制条件。

根据海森堡测不准原理，微观粒子的位置和动量无法同时确定，其中一个数据测得越准确，另一个数据就越不准。一般来说，电子在其能运行的轨道上，离原子核越近它的运行速度就越快，如果电子坠入原子核中，那么它的动量和位置，这两个数据都可以测得更准确，这违反了量子力学的基本规律。

微观粒子需要遵循不确定性不等式：ΔxΔp h/4π ，其中h是普朗克常量，Δx是粒子位置的不确定量，Δp是粒子动量的不确定量，使用时通常只在数量级上计算，作定性说明。

为什么要遵循这个规律？因为在微观世界中观察和计算到的结果就是这样的，无法解释原因，只能说清现象。

其次，电子的运行规律也会阻碍它坠入原子核中。

电子真实的存在状态，并非初高中教科书上看到的电子运动模型，电子是以概率云的形式分布在它所能存在的能级轨道上，就是在特定的轨道上会随机出现。

否则，即便电子在高能级轨道做加速运动，也无法辐射出电磁波，这就是电子可以在高能级轨道稳定运行的原因，也是它为什么不会坠入原子核的原因。

当引力超过电子简并压时，电子会被吸入原子核中，最后变成中子和中微子，中子星就是这么形成的，而中子星没有进一步演化，则是由于中子简并压的顽强抵抗。

这其实是一个极其复杂的问题。直接给出答案，电子是可以坠入原子核的，但是需要外界的能量输入。

原子模型

其实19世纪末到20世纪初，很多科学家也都认为电子应该会掉入到原子核内。这当中就包括大名鼎鼎的汤姆逊，卢瑟福。他们之所以有这样的想法，其实和当时的电磁学理论有关。麦克斯韦提出麦克斯韦方程，统一了”电“和”磁“，预言了电磁波的存在。而赫兹用实验证明了电磁波的存在。

而根据麦克斯韦的电磁学理论，电子应该是不断地释放电磁波，损失能量，然后轨道越来越低，最后坠入原子核中。

因此，当时的汤姆逊就认为原子的模型应该像枣糕一样，上面镶嵌电子。在这个模型中，电子是均匀地分布在原子内部的。

卢瑟福是汤姆逊的学生，他想要证明自己老师的观点，于是就做了那个著名的α粒子散射实验。α粒子其实就是氦核，氦核当中有两个中子和质子，他用氦核当作子弹去轰击金箔，以此来研究原子核内部的情况。

按照汤姆逊的枣糕模型，原子的内部应该是均匀的，所以，α粒子穿过时，发生偏转的角度应该都差不多。可结果呢?

绝大部分的α粒子都穿了过去，只有极其少量的发生偏转，而且偏转角度都很大。这就说明原子内部大部分是空心的，原子核其实很小，α粒子是撞到了原子核后，才有那么大的偏转角度。于是，卢瑟福提出了他的原子模型： 行星模型 。

这个模型其实核我们上初中时学的原子模型很像，电子在原子核外绕着转，原子核很小，但原子的质量几乎都集中在原子核上。但是这个模型一被提出来，就遭到了很多科学家吐槽。因此，根据麦克斯韦的电磁理论，电子还是最终要坠入原子核，变成枣糕模型的。

后来，卢瑟福有个学生叫做波尔，他提出了一个新的原子模型。这个模型告诉我们，电子是由自己的固定轨道的，一般来说并不会向外辐射电磁波。只有当发生跃迁时，才会辐射电磁波，以此来保持稳定。这里要补充一句，跃迁辐射的能量并不是连续的，而是一份份的。

波尔的模型其实和我们的太阳系很像，所以当时的科学家其实还蛮喜欢这个模型的。可是波尔的模型运用到氢原子还行，元素序数越大，误差就大得离谱。

后来，波尔有个学生叫做海森堡，他提出了著名的不确定性原理，他认为电子并不像波尔说的那样，有轨道，而是应该用电子云来描述，电子的位置时随机的，就连电子自己都不知道。我们只能用概率来描述。

不确定性原理还告诉我们，电子的位置和动量是无法同时测得，观测本身也会影响电子的运动情况。

后来，泡利提出了著名的泡利不相容原理，他认为两个完全相同的费米子（电子就是一种费米子）不可能处于相同的量子态。换句话说就是处于同一原子轨域的两个电子必定拥有相反的自旋方向。泡利不相容原理的出现，使得我们可以从量子论的角度去解释元素周期律。

电子其实可以坠入原子核

也让我们明白，为什么原子的第一个轨道只有2个电子，到了氦就要换行。根据泡利不相容原理和海森堡的不确定性原理，我们可以得出，存在一种电子简并力，确保两个电子不能同时占据相同的量子态，说白了就是不能让每个轨道的电子超过两个，电子简并力可以说就是物质能够被压缩的极限。这也是确保了电子不会坠入原子核内的力。不过，如果是在大型天体发生超新星爆炸之后。

这之后，可能会出现两种情况，一种是中子星，一种是黑洞。

如果电子简并力都无法对抗自身的引力，因此电子坠入了原子核内部，这个时候，原子核内的质子变成中子跟电子中微子，这就成了一颗中子星。

这些其实是从海森堡的不确定性原理和泡利不相容原理的角度出发，得到的结论，而实际的观测结果也确实符合理论。

从能量的角度

但其实，我们还可以再深入一点，去思考中子，质子，电子之间的关系。其实中子和质子并不是基本粒子，因为它们理论上是可以再分的，它们都是由三个夸克构成的。

但是构成中子和质子的夸克不太相同，这就使得中子的质量和质子的质量是不同的。

根据爱因斯坦的相对论，质量和能量是可以被统一起来看的，这就意味着中子的能量是要高于质子的能量。不仅如此，即使是加上电子的质量。中子的质量也要高于质子和电子质量的总和，也就是说，中子的能量是要高于质子和电子的能量总和。要知道能量都是由一个从高往低的趋势，这就好比水往低处流是一个道理。因此，在自然条件下，单独的一个中子，在15分钟左右就会变成一个质子和一个电子，并放出能量。

即使是在原子核内，也会发生类似的现象，也就是我们常说的衰变。

也就是说，在自然条件下， 一个质子和一个电子是没办法变成一个中子的，除非由能量的输入才有可能实现 。

答：因为在量子力学中，能量是一份一份的，这个条件限制了电子围绕原子核运动的轨道，使得一般情况下电子不会坠入原子核。

原子的经典模型

1897年汤姆生发现电子，经典物理学对原子的模型，就是电子围绕原子核运行，电子带负电，原子核带正电，由库仑力提供向心力。

根据经典力学的描述，电子绕核做圆周运动，就会对外产生电磁辐射，使得电子损失能量，然后轨道降低，直到坠入原子核，经过计算，该过程几乎就是瞬间完成的，按照经典力学的模型，原子几乎不可能稳定存在，这个问题一直困扰着物理学家们。

量子力学的描述

在一百多年前，经典力学的科学家们不止遇到这么一个棘手的问题，其中德国科学家普朗克，为解决黑体辐射问题提出量子的概念，从此打开了量子力学的大门。

根据量子力学的描述，电子发射的能量是一份一份的，能量不可能无限细分，于是电子围绕原子核运动，辐射的电磁波（光子）能量是受到限制的，这使得电子只能以特定的轨道围绕原子核运动，不会坠入原子核。

量子的提出，解决了经典力学的很多问题，也彻底改写了原子的物理模型，目前量子力学解释电子绕核运动的是电子云模型，电子在当前轨道附近出现的概率最大。

电子真的无法坠入原子核吗？

当然也有特殊情况，由于相对论速度是有限值，当原子所处的能量态很高，超过了电子简并压力时，电子也是可以坠入原子核的，此时电子会坠入原子核与质子中和，形成不带电的中子，并由中微子带走一部分能量。

这种情况发生在中子星形成时，恒星强大的引力超过了电子简并压力，然后由中子简并压力抵抗万有引力，当中子简并压力也无法抵抗引力时，中子星会继续塌缩成夸克星或者黑洞。

在不少的原子示意图中，正如行星环绕太阳旋转一样，电子也在环绕原子核旋转。这种原子模型由卢瑟福在1911年提出，又被称为原子行星模型。

考虑到行星和太阳之间有引力作用，引力刚好充当行星公转的向心力，所以行星不会掉进太阳中。同样地，带负电的电子和带正电的原子核之间存在库仑力作用，库伦力刚好充当电子公转的向心力，所以电子不会掉进原子核中。

然而，这种原子模型其实是完全错误的。那么，现代物理学又是如何解释电子不会掉进原子核中呢？

原子行星模型的起源

原子行星模型的起源是因为引力和库仑力的相似性。根据牛顿引力定律，两个质量之间的引力表达式为：

其中m1和m2表示物体的质量，r表示两个物体质心的距离。

根据库仑定律，两个带电粒子之间的库仑力的表达式为：

其中q1和q2表示带电粒子的电荷量，r表示两个带电粒子之间的距离。

然而，与行星不同的是，电子是带电的。自19世纪中叶以来，物理学家就知道，经历加速（速度和方向的改变）的电荷会发出电磁辐射（光子），在这个过程中会损失能量。

一个旋转的电子会把原子变成一个微型的无线电台，它的能量输出是以电子的势能为代价的。根据经典力学，随着能量的不断损失，电子将会螺旋进入原子核中，原子会坍缩。

量子理论来拯救

到了20世纪20年代，随着量子力学的发展，物理学家认识到，像电子这样的微小物体不能被看作具有一定位置和速度的经典粒子，我们只能知道电子在空间中任何一点出现的概率。根据量子力学，越靠近原子核，电子出现的概率越高。

上图为离原子核不同距离的单位体积空间内的电子电荷量，这就是所谓的概率密度图或者电子云。越靠近原子核的地方，单位体积空间内的电子数增长得非常快。从这个角度看，电子似乎确实落入了原子核中。

“无限之战”把电子从死亡螺旋中拉回来

虽然电子的势能会随着它向原子核力场的移动而变得更负，但它最终会趋于负无穷。然而，由于总能量保持不变，势能的损失由电子动能的增加来补偿，动能的增加决定了电子的动量和有效速度。

因此，当电子无限接近原子核时，它的势能会下降到负无穷，而它的动能则会上升到正无穷。这场“无限之战”双方都无法获胜，而是达成了一个平衡。势能的下降只是动能的两倍，电子以与玻尔半径相对应的平均距离而运动。

不确定性原理

不过，这种描述还有一个问题。根据不确定性原理，像电子这样小的粒子既不能被认为具有确定的位置，也不能被认为具有动量。海森堡认为，诸如电子这样的量子粒子的位置或动量可以被精确地知道，但随着其中一个量被精确地测定，另一个量的值会变得越来越不确定。这不仅仅是一个观察困难的问题，而是一个自然的基本属性。

这意味着在原子的微小范围内，电子并不能被认为是一个具有确定动量和位置的“粒子”。因此，“电子落入原子核”的说法从一开始就是错误的。

电子带负电荷，原子带正电荷，为什么电子不会掉入原子核中？

这可能是很多朋友搞不清楚的问题！按一般意义上理解，正负电荷会互相吸引之后逐渐靠拢，并最终合为一体，无论是引力还是电磁力或者弱力与强力，都是这个结果！而正负电荷属于电磁力，为什么电子还有自己的独特的轨道？为什么还没有坠入原子核？

我们先简单介绍下原子的模型，现代原子模型是薛定谔的量子力学即电子云模型，原子核在中心，而电子则以电子概率云模式出现在原子核周围！而电子的轨道描述的只是电子并不是随机出现的，而是在它的轨道上（能级）上随机出现！

一、电子为什么会以轨道的概率云模式出现？

其实要解释清楚这个问题必须要引入另一位大神普朗克，因为他在研究黑体辐射时引入了量子的概念，他认为能量都是一份份出现的！引入这个概念后完美的解决了紫外灾变，即在计算黑体辐射强度时用到的瑞利-金斯定律在辐射频率趋向无穷大时计算结果和实验数据大相径庭的有趣结果！这个结果告诉我们，能量并不是连续的！

而我们生活中的大部分能量来源或者媒介主要就是电子的电磁辐射，电子的能级（轨道）与辐射有这密切关系，辐射后的电子会跌落到能级比较低的轨道，因此这最小的一份份就决定了电子能级的轨道是突变的，而无法做一个连续的轨道能级升迁！

而电子的另一个特性则是动量位置与动量时间是无法同时确定的，这早已有海森堡不确定性原理为之背书，当然没法告诉各位这是为什么，量子世界有其独特的运行规则，就像真空中的光速为什么是299792458米/秒一样！

二、为什么电子不会被原子核吸引？

要解释这个问题得引入两个概念

1、海森堡不确定性原理

2、泡利不相容原理

从这两个原理来说，电子靠近原子核需要有强大的能量或者压力支撑，因为不确定性原理与泡利不相容原理，使得看起来电子是坠入原子核，但其实却是爬上一座难以逾越的高山！

三、电子可以“坠入”原子核吗？

当然可以，白矮星物质的状态就是电子留在原子核外的最后倩影！因为再往前一步就是电子坠入原子核成与原子核中的质子中和成了中子，此时不再有电子，也不再有质子，有的只是被中微子带走的能量和留下的中子！

只有有足够大的引力，啥事不会发生呢？甚至一直可以坍缩到黑洞！

问题应该修正一下“'电子带负电，原子核带正电，为什么电子不会掉入原子核中”。

汤姆逊发现电子之后就在考虑原子的结构问题了。当时知道原子呈电中性，而电子带负电，则必须有带正电的“东西”，他根据原子这样的特点提出“枣糕模型”，即电子像枣子一样镶嵌在蛋糕上。

后来，卢瑟福通过著名的“α粒子散射实验”否定了枣糕模型。卢瑟福提出，原子有一个很小但非常坚硬且带正电的核，电子绕着这个核圆周运动。卢瑟福提出的模型结构我们称之为核式结构模型或行星模型。

不过这个模型也经不起推敲，出现了解决不了的问题，最重要的一个问题就是“电子灾难”。

电子饶原子核圆周运动，按照电磁场理论，电子会不断向外辐射电磁波，电子的能量会越来越少，最终掉到原子核中，这就是“电子灾难”。

玻尔为了解决这个问题，引入量子理论。他认为，电子饶原子核圆周运动的轨道是不连续的，分立的，也就是量子化的，电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射。

当电子从能量较高的定态轨道（其能量记为Em）跃迁到能量较低的定态轨道（能量记为En，m>n）时，会放出能量为hν的光子（h是普朗克常量）。

题主第二句，应该是“原子核带正电"，原子对外不显正负电，只有在电离状态下，对外显正电，属于失去核外电子的离子态。电子为什么没有掉进原子核？早期科学界曾经认为原子就如缩小的太阳系，电子绕原子核旋转，跟行星绕太阳运转差不多，随着核作用力和量子力学研究的深入，人们才认识到原子跟太阳系的引力作用还是有区别的。磁力和引力的共性，是它们的力场都产生于宏观物质和微观物质的螺旋旋涡运动，星系产生于星云的扁平螺旋旋涡里，科学家也称电子为电子云雾，说它们都是旋涡体系，是符合物质宇宙构造宏观和微观物质个体规律的，太阳系的引力平衡态，与原子的能量磁力平衡态，从力学原理上讲，还是没有本质区别的，量子的能量包，其一份一份性，就是螺旋旋涡的周期性，螺旋运动都是满一个周期，才能进入下一个周期，螺旋结构物质的周期性，决定了量子整体份量，就像螺旋圆周运动不会以二分之一三分之一进入下一个周期，能量子也不会以几分之几释放，而是以波包的形式存在，波就是螺旋的变形形式，分析这些，讲的都是微观宏观的共同之处，科学家追求大统一，应从宇宙物质的螺旋运动和螺旋结构去考虑，电子的能级跟行星的轨道有何异同，是可以搞清楚的。一点浅见，欢迎阅者雅正！

目前物理界并没有定论，最靠谱的答案是：

在一团原子中，电子受所绕行的原子核的静电引力不假，但它也同时会受到周围原子核的引力，自己家的原子核引力不小，但周围这么多原子核都会多多少少对它产生引力，这些大大小小的外加引力会和本家原子核的引力保持平衡状态，一旦哪个电子在运行中距离原子核过近，外加引力会将其拉回平衡状态下的轨道，使得电子在高速运动中可以同原子核维持距离大致相等的球形轨迹。

以上过程类似线性稳压电源或开关电源保持电压稳定的负反馈过程。