简单来讲,电子和原子核的相互作用属于微观世界的范畴,不能用宏观世界的经典物理去思考。
在原子的宇宙里,正负电荷的吸引力似乎注定了电子与原子核的相遇,然而,自然法则却为它们设置了重重障碍。
根据海森堡的不确定性原理,我们无法同时捕捉到电子的位置与运动速度,一个参数的精确度提高,另一个必然会模糊。在原子的世界里,电子环绕着原子核运行,越接近原子核,它的速度就越快。若电子被原子核所捕获,则关于它的位置和速度的信息都将变得清晰,而这正是量子力学所不容许的。
因此,微观粒子必须遵循所谓的不确定关系:
此处,h代表普朗克常数,Δx与Δp分别指代粒子的位置和动量不确定性,通常在数量级层面进行估算,用以定性分析。为何必须遵循这一原则?只因在微观尺度上,观察与测算到的便是如此,我们只能接受现象,却难以探求其所以然。
再者,电子固有的运动规律也构成了它沉入原子核的障碍。真实的电子行为,并非如教科书上的模型所描述的那样。电子更像是一团概率云,在各个能级轨道上忽隐忽现。
设想电子位于外层高能级轨道,欲跃迁至内层低能级轨道,它必须释放电磁辐射以卸去能量。然而,只有当释放的能量恰好匹配两轨道间的能级差,电子才有可能成功跃迁。否则,电磁辐射将被定律所禁止,电子则在较远离原子核的轨道上稳定运行。这便是电子不堕入原子核的奥秘所在。
实际上,电子并非全无坠入原子核的可能,只是需要额外的能量介入。这时,泡利的不相容原理登场。该原理指出,在费米子组成的系统中,没有任何两个粒子可以共享完全相同的状态。当粒子过于接近,一种抵抗引力的压力就会涌现,形成所谓的电子简并压。
当引力超越了电子简并压,电子就会被原子核吸入,转变为中子和中微子。中子星的形成便是这一过程的结果,而中子星未能进一步演化,正是中子简并压的顽强抵抗所致。
在微观的领域中,层层的防护机制守护着电子,使其远离原子核的深渊。若非这些自然法则的护持,我们所知的世界将不复存在。