我想大家都對(duì)中學(xué)學(xué)到的原子結(jié)構(gòu)很熟悉，也就是說原子內(nèi)有個(gè)原子核，核外有電子繞著原子核轉(zhuǎn)，而原子核內(nèi)還有質(zhì)子和中子。原子核是帶正電的，而電子是帶負(fù)電。
我們都知道同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。原子核和電子是異種電荷，為什么不會(huì)相互吸引？
原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展
100多年前，這個(gè)問題同樣困擾著很多科學(xué)家。最早提出原子模型的是湯姆孫，他提出了棗糕模型，在這個(gè)模型中：
原子是球形的，正電的物質(zhì)均勻分布于球體內(nèi)，而帶負(fù)電的電子一顆一顆地鑲嵌在球面上。
后來，他的學(xué)生盧瑟福也提出了一個(gè)原子模型，這個(gè)模型電子是在原子核核外做圓周運(yùn)動(dòng)的，這也被我們稱為行星模型。但這個(gè)模型有個(gè)致命問題，根據(jù)麥克斯韋電磁學(xué)理論，電子最后還是要被鑲嵌到原子核上，簡直就是變種的棗糕模型。
再到后來，盧瑟福有個(gè)學(xué)生叫做波爾，它為了解決這個(gè)問題，提出了另外一個(gè)原子模型，我們可以叫做太陽系模型。他認(rèn)為原子內(nèi)部就像是太陽系一樣，原子核就好比太陽，而電子就像行星一樣，有一個(gè)個(gè)軌道，它們?cè)谲壍郎线\(yùn)動(dòng)。但是這個(gè)模型也不行，因?yàn)槔碚撾m然漂亮，但是用到氦元素原子時(shí)，就不太靈了。
最后，解決問題的是波爾的學(xué)生海森堡，他提出了不確定性原理。在這個(gè)理論中，電子在原子核外，呈現(xiàn)電子云的形式。
但問題來了，這樣就真的確保了電子可以不掉落到原子核內(nèi)么？
水往低處流
實(shí)際上，你聽到這里，還是覺得不太靠譜了。實(shí)際上，還存在著兩個(gè)原因。我們先來說的一個(gè)，我們都知道，水是往低處流的。這種現(xiàn)象并不是偶然，說白了它是能量最低原理造成的。萬物都是“懶”的，都有個(gè)趨勢，從能量高的地方往能量低的地方去。那這和這個(gè)問題有什么關(guān)系呢？
如果電子掉落到原子核內(nèi)，電子會(huì)和質(zhì)子反應(yīng)，生成一個(gè)中子。（這個(gè)過程還會(huì)中微子的出現(xiàn)，不過由于中微子質(zhì)量特別特別小，不影響最終結(jié)果，因此，我們就不把它算在內(nèi)）
那問題來了，這個(gè)反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行么？
實(shí)際上并不能，核心原理就在于
“電子 質(zhì)子的總能量”＜“中子的能量”
可能你要問了，它們不都是是物質(zhì)粒子么？為什么還會(huì)有能量這說法？
這就要說到愛因斯坦的質(zhì)能等價(jià)了，這個(gè)理論告訴我們一個(gè)道理，那就是質(zhì)量和能量其實(shí)是一個(gè)東西的兩個(gè)體現(xiàn)，質(zhì)量里是有能量的，能量里是有質(zhì)量的。它們是相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系，具體的對(duì)應(yīng)就是E=mc^2。因此，我們可以得到微觀粒子的能量。
- 電子的能量是：0.510 MeV
- 質(zhì)子的能量是：938.272 MeV
- 中子的能量是：939.565 MeV
因此，電子和質(zhì)子的總能量就是0.510 MeV 938.272 MeV=938.782 MeV，這個(gè)能量要小于中子的能量。因此，電子和質(zhì)子并沒有辦法自發(fā)反應(yīng)，除非有能量的輸入。
相反，正是由于中子的能量要大于質(zhì)子和電子的能量，中子在弱相互作用下，是有一定概率發(fā)生衰變，成為一個(gè)質(zhì)子和電子的，這就要遠(yuǎn)比質(zhì)子和電子反應(yīng)生成中子容易的多。
這里，我們?cè)俣嘌a(bǔ)充一句，之所以會(huì)這樣中子的質(zhì)量（能量）要略大于質(zhì)子質(zhì)量（能量），更本質(zhì)的原因在于構(gòu)成它們的夸克的種類不一樣。
- 質(zhì)子是由2個(gè)上夸克、1個(gè)下夸克構(gòu)成的；
- 中子是由1個(gè)上夸克、2個(gè)下夸克構(gòu)成的。
而下夸克的質(zhì)量是不同于上夸克的，這才導(dǎo)致了質(zhì)子和中子的質(zhì)量有些許不同。（下表中，每個(gè)格子的左上角第一行就是質(zhì)量欄）
泡利不相容原理
除了上文說到的問題之外，還存在一個(gè)阻攔電子進(jìn)入原子核的關(guān)卡，我們可以理解成一種規(guī)則，這個(gè)規(guī)則就叫做泡利不相容原理。
這就是科學(xué)家泡利通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的一個(gè)理論，具體的表述是，
兩個(gè)全同的費(fèi)米子不能處于相同的量子態(tài)。（常見的費(fèi)米子就有電子和夸克）
下圖中，左側(cè)這三列內(nèi)的粒子就是費(fèi)米子。（當(dāng)然，還不止這些，像質(zhì)子和中子也是費(fèi)米子。）
這定義看起來很唬人，不過你可以大致理解成電子也是需要排座次的，也講究先來后到，相同狀態(tài)的電子不能有第二個(gè)一摸一樣的。這就導(dǎo)致，電子在原子核外要好好排排坐，能都往靠近原子核的方向去擠。
于是，由于泡利不相容原理的存在，就會(huì)產(chǎn)生一種量子效應(yīng)，叫做電子簡并態(tài)，它們會(huì)產(chǎn)生向外的壓力，來抵抗把電子往原子核內(nèi)壓的力。
在宇宙中有一種恐怖的天體叫做中子星，它們就是因?yàn)殡娮雍啿B(tài)沒有扛住自身的引力，所以，電子就被壓到了原子核內(nèi)。但是中子也有簡并態(tài)，中子的簡并態(tài)抵抗住了自身引力。但更為恐怖的黑洞，就是連中子的簡并態(tài)都沒抵抗住自身引力。
最后我們來總結(jié)一下，電子和質(zhì)子的總能量要小于中子的能量，根據(jù)能量最低原理，電子和質(zhì)子不能自發(fā)的發(fā)生反應(yīng)。同時(shí)，又因?yàn)殡娮雍啿B(tài)的存在，它可以抵抗外來的壓力把電子壓入原子核內(nèi)。這是由于兩個(gè)原因，保證了電子不會(huì)掉入到原子核內(nèi)。
