相信大家都熟悉初中时学过的原子结构。原子内部有原子核，电子围绕原子核外部旋转，质子和中子在原子核内部。原子核带正电，但电子带负电。

我们都知道，相似电荷相互排斥，不同电荷相互吸引。尽管原子核和电子具有不同的电荷，但为什么它们不相互吸引？

原子结构的发展

一百多年前，这个问题也困扰了很多科学家。汤姆森是第一个提出原子模型的人。在这个模型中，他提出了以下建议：

原子是球形的，带正电的物质均匀分布在球体内，带负电的电子一一嵌入每个球体内。

后来，他的学生卢瑟福也提出了原子模型。在这个模型中，电子在原子核外做圆周运动。这也称为行星模型。然而，这种模式有一个致命的问题。根据麦克斯韦电磁学理论，电子最终会嵌入原子核中。这只是枣糕模型的一个变种。

卢瑟福当时有一个叫玻尔的学生，他提出了另一个原子模型，我们可以称之为太阳系模型，来解决这个问题。他认为原子的内部就像太阳系，原子核就像太阳，电子就像行星，有它们运行的轨道。但这个模型也行不通。这个理论很美好，但在使用氦原子时效果不佳。

最后这个问题被玻尔的弟子海森堡解决了，他提出了测不准原理。在这个理论中，电子以电子云的形式存在于原子核之外。

但是这里出现了一个问题。这真的能保证电子不会落入原子核吗？

水往低处流

其实听到这句话我还是不太有信心。事实上，有两个原因。我们先来说说第一点。我们都知道水是往低处流的。简单地说，这种现象是由最小能量原理引起的。所有人都是“懒惰的”，并且倾向于从高能量区域移动到低能量区域。那么这和这个问题有什么关系呢？

当电子落入原子核时，它与质子反应产生中子。 （这个过程中也会出现中微子，但由于中微子质量很小，不影响最终结果，所以省略。）

那么问题来了：这个反应能自发进行吗？

事实上，基本原理是不可能的。

“电子+质子的总能量”<“中子的能量”

你可能会问，它们不都是物理粒子吗？为什么能量还存在？

这是关于爱因斯坦的质量和能量等价，它告诉我们一个道理：质量和能量实际上是同一事物的两种表现。质量有能量，能量有质量。它们一一对应，具体对应关系为E=mc^2。因此，可以获得微小粒子的能量。

电子的能量为0.510 MeV 质子的能量为938.272 MeV 中子的能量为939.565 MeV 因此，电子和质子的总能量为0.510 MeV+938.272 MeV=938.782 MeV，较小。关于中子能量。因此，除非有能量输入，否则电子和质子不可能自发反应。

相反，中子的能量大于质子和电子的能量，因此中子在弱相互作用下以一定概率衰变成质子和电子。这比质子和电子之间的反应快得多。更轻松。

这里我还要补充一点：中子的质量（能量）比质子稍大的原因是因为组成中子的夸克类型不同。

质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由一个上夸克和两个下夸克组成。下夸克的质量与上夸克的质量不同，导致质子和中子的质量略有不同。 （下表中，每个网格左上角第一行为质量列）

泡利不相容原理

除了上述问题外，还存在阻止电子进入原子核的屏障。这条规则称为泡利不相容原理。

这是科学家泡利通过分析实验结果提出的理论，具体表述如下。

两个相同的费米子不能处于相同的量子态。 （常见的费米子包括电子和夸克）

在下图中，左边三列中的粒子是费米子。 （当然，这还不是全部。质子和中子也是费米子。）

这个定义看起来很唬人，但是你可以大致理解，电子也是需要按顺序排列的，而且还需要注意先到先得。处于同一状态的第二个电子并不完全相同。因此，电子必须放置在原子核之外，这样它们才能被挤压得更靠近原子核。

因此，泡利不相容原理的存在产生了一种称为电子简并态的量子效应，它产生了向外的压力，抵抗将电子推入原子核的力。

宇宙中有一个叫做中子星的可怕天体，但由于电子是简并态，无法承受自身的引力，电子被推入原子核。但中子也有简并态，并且中子的简并态抵抗其自身的引力。但更可怕的是，黑洞即使是简并态的中子也无法抵抗自身的引力。

最后我们总结一下，电子和质子的总能量小于中子的能量。根据最小能量原理，电子和质子不能自发反应。同时，电子简并态的存在使它们能够抵抗外部压力并将电子推入原子核。这样做的原因有两个：防止电子落入原子核。

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