更新时间：作者：小小条
19 世纪末到 20 世纪初，科学家们对原子内部结构充满好奇，却也困惑重重。当时主流观点认为，电子似乎不可避免地会掉入原子核内 ，其中就包括著名科学家汤姆逊与卢瑟福。
这一想法的根源与当时的电磁学理论紧密相连。麦克斯韦提出的麦克斯韦方程，将 “电” 与 “磁” 统一起来，还成功预言了电磁波的存在，赫兹通过实验予以证实 。
按照麦克斯韦电磁学理论，电子会持续不断地释放电磁波，在此过程中逐渐损失能量，运行轨道越来越低，最终坠入原子核。
基于这样的理论基础，汤姆逊提出了原子的 “枣糕模型”。
他认为原子就像一块均匀分布着正电荷的枣糕，而带负电的电子则像枣糕中的枣子一样，均匀镶嵌其中。在这个模型里，电子稳定地分布在原子内部，整个原子呈电中性。
卢瑟福作为汤姆逊的学生，原本希望通过实验来验证老师的模型。于是，他进行了著名的 α 粒子散射实验。
α 粒子本质上是氦核，由两个中子和两个质子构成。卢瑟福以氦核作为 “子弹” 去轰击金箔，借此探究原子内部结构。按照汤姆逊的枣糕模型预测，原子内部均匀分布着正电荷，α 粒子穿过时发生偏转的角度应该大致相同。
然而，实验结果却令人大为震惊：绝大部分 α 粒子轻松地直接穿过金箔，只有极少数发生了偏转，且这些发生偏转的 α 粒子偏转角度极大。这清晰地表明，原子内部大部分空间是空旷的，原子核在原子中所占体积极小，只有当 α 粒子撞到原子核时，才会产生如此大的偏转角度。
基于这一实验结果，卢瑟福于 1911 年提出了原子的 “行星模型”。
该模型与我们初中所学的原子模型颇为相似，电子在原子核外围绕着原子核做圆周运动，原子核虽体积微小，但却集中了原子几乎所有的质量。然而，这个看似合理的模型却面临着一个严重的问题：根据麦克斯韦的电磁理论，电子在核外做圆周运动时，会不断辐射电磁波从而损失能量，其轨道半径会逐渐减小，最终还是会坠入原子核。
这意味着，按照卢瑟福的行星模型，原子是不稳定的，这与现实中原子的稳定性明显矛盾 。这一矛盾使得科学家们意识到，经典电磁理论在解释原子内部结构时存在局限性，必须寻找新的理论来解释电子与原子核之间的关系 。
为解决卢瑟福原子模型的困境，1913 年，丹麦物理学家尼尔斯・玻尔提出了新的原子模型 。
玻尔巧妙地将量子概念引入原子结构，认为电子并非像卢瑟福模型中那样可以在任意轨道上运动，而是只能在一些特定的、具有固定能量的轨道上稳定运行，这些轨道被称为 “定态轨道” 。在这些特定轨道上，电子不会辐射电磁波，因而不会损失能量，原子也就能够保持稳定 。
当电子从一个能级较高的轨道跃迁到能级较低的轨道时，会以光子的形式向外辐射能量；反之，当电子从低能级轨道跃迁到高能级轨道时，则需要吸收特定频率的光子 。这种能级跃迁的能量变化不是连续的，而是一份一份的，每一份能量对应着一个特定的光子频率，这与经典电磁理论中能量连续变化的观点截然不同 。
例如，氢原子中的电子在不同能级间跃迁时，会产生特定频率的光谱线，这一现象与玻尔理论的预测高度吻合，成功解释了氢原子光谱的规律 。
玻尔的原子模型在解释氢原子等简单原子的结构和光谱现象方面取得了巨大成功 ，为原子物理学的发展奠定了重要基础 ，让人们对原子内部结构有了更深入的认识
。然而，随着研究的深入，科学家们发现玻尔模型存在一定的局限性。它只能较好地解释氢原子和类氢原子（如氦离子等）的光谱，对于多电子原子，其理论计算结果与实际观测数据偏差较大 。这表明玻尔模型虽然引入了量子化概念，但仍未能完全揭示原子内部电子运动的本质规律 。
1927 年，德国物理学家海森堡提出了著名的不确定性原理，为量子力学的发展带来了新的突破 。
该原理指出，对于微观粒子，如电子，我们无法同时精确地测定其位置和动量 。这与经典物理学中对物体运动状态的描述截然不同，在经典物理学中，我们可以通过测量准确得知物体在某一时刻的位置和速度 。
海森堡不确定性原理的数学表达式为 ΔxΔp≥h/4π，其中 Δx 表示粒子位置的不确定量，Δp 表示粒子动量的不确定量，h 是普朗克常量 。这意味着，当我们试图更精确地确定电子的位置时，其动量的不确定性就会增大；反之，若要更精确地测量电子的动量，其位置就会变得更加不确定 。
例如，在对电子进行观测时，我们使用的观测手段（如光子撞击电子）不可避免地会对电子的运动状态产生干扰，从而导致无法同时准确获取其位置和动量信息 。
从不确定性原理的角度来看，如果电子坠入原子核，其位置将被限定在极小的原子核范围内，位置不确定性几乎为零 。根据不确定性原理，此时电子的动量不确定性将趋于无穷大，这在物理上是不合理的 。因此，不确定性原理从根本上限制了电子坠入原子核的可能性 。
与此同时，奥地利物理学家泡利于 1925 年提出了泡利不相容原理 。
该原理指出，在一个原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数（主量子数 n、角量子数 l、磁量子数 ml 和自旋磁量子数 ms ） 。电子作为费米子，遵循泡利不相容原理 。这意味着在同一原子轨道中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子 。
例如，在氢原子的基态中，只有一个电子，它占据了最低能量的轨道 ；而在氦原子中，有两个电子，这两个电子自旋方向相反，共同占据着同一个最低能量轨道 。泡利不相容原理决定了电子在原子核外的排布方式，使得电子能够分层分布在不同的能级和轨道上，避免了所有电子聚集在最低能级的情况，从而保证了原子结构的稳定性 。
如果没有泡利不相容原理，所有电子都可能聚集在最低能级，原子将变得不稳定，物质世界的化学性质也将与我们所熟知的大相径庭 。
通常情况下，电子简并力能够有效地阻止电子坠入原子核，维持原子的稳定结构 。然而，当大质量恒星走到生命尽头，引发超新星爆炸时，情况便截然不同 。
在超新星爆炸的瞬间，恒星核心区域会经历极其强烈的引力坍缩 。
这种引力之强，远远超出了电子简并力所能抵抗的范围 。随着引力不断增强，原子结构被无情地破坏，电子简并力失效，电子再也无法维持在原子核外的正常轨道，被迫坠入原子核内部 。当电子与原子核内的质子相遇时，二者发生奇妙的反应 。质子捕获电子，转变为中子，同时释放出电子中微子 。这个过程被称为逆 β 衰变 。经过这一系列反应，原本由质子、中子和电子构成的物质，如今几乎完全由中子组成 ，一颗中子星就此诞生 。
中子星是一种密度极高的天体，其密度之大超乎想象 。每立方厘米的中子星物质质量可达数亿吨甚至更高 。在中子星上，一汤匙的物质质量就相当于地球上一座大山的质量 。如此极端的密度，正是电子坠入原子核后物质高度压缩的结果 。
如果恒星的质量足够巨大，在超新星爆炸后，即使形成了中子星，其内部的中子简并力也无法抵挡更为强大的引力 。
在这种情况下，物质会继续坍缩，中子也会被压碎，最终所有物质坍缩到一个密度无限大、体积无限小的点，这便是黑洞 。黑洞的引力极其强大，任何物质一旦进入其事件视界，都无法逃脱，甚至连光也不例外 。
从电子坠入原子核形成中子星，到中子星进一步坍缩成黑洞，这一系列过程深刻地展示了在极端条件下电子与原子核之间关系的巨大变化 ，也让我们看到了微观世界与宏观宇宙之间紧密的联系 。
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