电子如何保持围绕原子核旋转而不减速 从哪里获得能量？

　　一个原子最好被想象成一个紧密的、高密度的原子核，周围环绕着嗡嗡作响的、绕轨道运行的电子。这张图片立即引出一个问题：电子如何保持围绕原子核旋转而从不减速？ 这是 20 世纪初的一个热点问题，对答案的寻找最终导致了量子力学本身的发展。

　　20 世纪初，经过无数次实验，物理学家才刚刚开始拼凑出一幅连贯的原子图景。他们意识到每个原子都有一个致密、重、带正电的原子核，周围环绕着一团带负电的微小电子。考虑到总体情况，他们的下一步是创建一个更详细的模型。

　　在这个模型的最早尝试中，科学家们从太阳系中获得灵感，太阳系有一个密集的“核”（太阳），周围环绕着一个由较小粒子（行星）组成的“云”。但是这个模型引入了两个重大问题。

　　例如，加速的带电粒子会发射电磁辐射。而且由于电子是带电粒子，它们在轨道上加速，它们应该发射辐射。根据田纳西大学诺克斯维尔分校的说法，这种发射会导致电子失去能量并迅速盘旋并与原子核碰撞。在 1900 年代初期，物理学家估计，这样一个向内的螺旋将需要不到万亿分之一秒或皮秒。由于原子的寿命显然比皮秒长，所以这是行不通的。

　　第二个更微妙的问题与辐射的性质有关。科学家们已经知道原子会发射辐射，但它们是以非常离散的特定频率发射的。一个轨道电子，如果它遵循这个太阳系模型，就会发射各种波长，这与观察结果相反。

　　著名的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔是第一个提出解决这个问题的人。1913 年，他提出原子中的电子不能只是拥有他们想要的任何轨道。相反，根据他随后的诺贝尔奖引文条目，它们必须被锁定在距原子核非常特定距离的轨道上。此外，他提出电子可以达到的最小距离，并且它不能更靠近原子核。

　　他不只是从帽子里拿出这些想法。根据 HyperPhysics 参考资料，十多年前，德国物理学家马克斯·普朗克 (Max Planck) 提出辐射的发射可能是“量子化的”，这意味着一个物体只能以离散的块状吸收或发射辐射，并且没有任何它想要的价值乔治亚州立大学页面。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，科学家们认为这种辐射是连续的，这意味着粒子可以以任何频率辐射。

　　普朗克常数与角动量或做圆周运动的物体的动量具有相同的单位。因此，玻尔将这个想法引入了围绕原子核运行的电子，他说电子的最小可能轨道将等于恰好一个普朗克常数的角动量。更高的轨道可能有这个值的两倍，或者三倍，或者普朗克常数的任何其他整数倍，但绝不是它的任何分数（所以不是 1.3 或 2.6 等等）。

　　要理解为什么电子有这样一个最小轨道和明确定义的更高轨道，这需要量子力学的全面发展。与所有物质粒子一样，电子既表现为粒子又表现为波。虽然我们可以将电子想象成一个围绕原子核运行的小行星，但我们可以很容易地将它想象成一个环绕原子核的波。

　　密闭空间中的波浪必须遵守特殊规则。它们不能只有任何波长；它们必须由适合空间内的驻波制成。就像有人演奏乐器一样：例如，如果您固定吉他弦的末端，则只有某些波长适合，从而为您提供单独的音符。类似地，围绕原子核的电子波必须适合，并且电子到原子核的最近轨道由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景，但基本观点仍然存在：电子无法靠近原子核，因为它的量子力学性质不会让它占用更少的空间。

　　但是有一种完全不同的方法来检查完全不依赖于量子力学的情况：只要看看所涉及的所有能量。围绕原子核运行的电子被原子核电吸引；它总是被拉得更近。但是电子也有动能，它可以把电子飞走。

　　对于一个稳定的原子，这两者是平衡的。事实上，轨道上电子的总能量是其动能和势能的组合，是负的。这意味着如果你想去除电子，你必须给原子增加能量。这与围绕太阳运行的行星的情况相同：要将行星从太阳系中移除，您必须向系统添加能量。

　　看待这种情况的一种方法是想象一个电子“落”向一个原子核，被它的相反电荷吸引。但由于量子力学的规则，它永远无法到达原子核。所以它被卡住了，永远在轨道上运行。但是这种情况是物理学允许的，因为系统的总能量是负的，这意味着它是稳定的并结合在一起，形成了一个持久的原子。

　　该论文最初于 2011 年 1 月 21 日发表，并于 2022 年 6 月 22 日重写。