真實的原子模型
相信很多人在上初高中時，都有看到過原子模型，一般來說，這個模型就是一個原子核在中心，外面有電子，電子有相應的軌道。這就好像我們的太陽系一樣，中心有個太陽，外面各個行星在各自軌道上。
然後，老師一般還會說，原子核是帶正電，電子是帶負電的。原子核是由質子和中子構成的，質子帶正電，中子不帶電，因此，原子核才會帶正電。
實際上，初高中老師講授的原子結構是經過“特意”簡化的。目的其實是爲了方便教學。真實的原子模型是和上圖中的模型截然不同的。在經過幾代物理學家的努力，原子模型發生了好幾次叠代。
如今，最爲主流的原子模型更接近于下面這樣。
我來給你稍加解釋一下：這個模型與初高中所需學的模型之間的區別在哪？
首先，這個模型的比例是和初高中所學的不同。這裏的原子核極其小，如果原子有足球場那麽大，那原子核最多也就是一根頭發絲粗細的水平。雖然如此，但原子核的質量占據了整個原子總質量的99.99%以上。除此之外，電子不存在軌道，而是呈現概率雲的形式。那爲什麽會是這樣的呢？
上世紀20年代，科學家發現微觀世界和宏觀世界是很不同的。你在觀測一個電子時，你很難同時獲得電子的“位置信息”和“動量信息”。他們發現，只要測准了“位置信息”，再測“動量信息”就不准了，反之亦然。這是因爲，觀測本身就會影響到微觀粒子的運動狀態。基于這個原因，物理學家海森堡提出了著名的不確定性原理。
但是，在研究原子模型的過程中，科學家一直備受一個問題的困擾。上文我們也提到了，電子是帶負電的，而質子是帶正電。我們都知道，同種電荷相斥，異種電荷想吸引。那問題就來了，爲什麽電子不會墜入到原子核中？
爲什麽電子不會墜入到原子核中？
這裏其實就涉及到了物理學中非常基礎的定律，這就是能量最低原理。這個定理告訴我們：
所有的能量都是由高處流向低處。
那這個和電子不會墜入原子核有什麽關系呢？
這就需要引入另外一個至關重要的物理學認知，這也就是愛因斯坦在1905年提出的質能等價。如果要問在整個科學史上最出名的方程是哪個？
那一定就是質能方程，也就是E=mc^2。其中E代表能量，m代表質量。
愛因斯坦在《質能等價》的論文中，開頭就寫到：
若一個物體以輻射形式發射能量L，它的質量減少L/c²。
也就是說，愛因斯坦把質量和能量統一了起來，它們是一個物體的兩個面。質量裏還有能量，能量裏還有質量。在科學界還有一種觀念，它們認爲：物質實際上是能量極度壓縮的狀態。或者說，世界其實是能量的。
于是，我們就會知道，任何的物體，只要有質量，它就蘊含著mc^2的能量。
了解了這些，我們就會知道，電子，質子，中子都可以通過質能方程計算出它們所對應的能量。
當一個電子墜入到原子核後，照理說，電子應該會和質子會發生反應，生成一個中子和中微子。而電子不會墜入原子核內的一個很重要的原因，其實是這個反應不會自發進行。
這裏核心的原因就在：“電子能量”+“質子能量”＜“中子能量”+“中微子能量”。
所以，要使得反應進行，就需要輸入大量的能量才行。具體來說是這樣的，我們可以通過查表來獲取到中子、電子、質子的能量，如下：
- 中子：939.565 MeV
- 電子：0.510 MeV
- 質子：938.272 MeV
這裏補充一點，中微子的質量如今也沒有測到准確值，但我們知道的是它的質量微乎其微，最低的上限在0.12 eV至0.25 eV之間，這和電子質量都差了好幾個數量級，更不要說和質子、中子相比了。所以，我們可以忽略掉中微子的存在，因爲它不會影響最終的結果。
我們通過把電子和質子的能量加和，就得938.782 MeV。這個能量是要小于質子的939.565 MeV。所以根據能量最低原理，能量要從高處流向低處，因此，電子和質子的反應，在不輸入能量的情況下，是不會發生的。這才確保了電子不會墜入到原子核中。
從上文中，我們知道，中子的能量要大于電子和質子的能量，所以，中子和中微子是有可能發生反應，生成電子和質子的。事實也確實如此，這個反應被我們稱爲β衰变。
沒有被約束在原子核的自由中子，在自然條件大概15分鍾就會發生β衰变。而在原子核中的中子发生β衰变就困难许多。
泡利不相容原理
當然，實際上，如果我們真的去壓縮電子，要把它們壓入到原子核中。你會發現，即使你補齊了反應所需要的能量，反應也不會發生。那這是爲什麽呢？
其實，除了質量最低原理，實際上還存在著泡利不相容原理。這個理論告訴我們：
兩個全同的費米子不能處于相同的量子態。
那這到底啥意思呢？
具體來說就是，在微觀粒子中分爲兩類，一類叫做玻色子，一類叫費米子。玻色子是“群居”，但費米子其實是“獨居”。那這要咋理解呢？電子是典型的費米子，我們就以“電子爲例”。
泡利就發現原子核外的電子其實不是亂來的，它們其實是一個蘿蔔一個坑，每個電子都有屬于自己的獨一無二“量子態”，這就導致它們好像在排排坐做一樣。如果你對其施加壓力，這時候這種量子效應就會産生對外抵抗的“力”，以此來抵抗壓力，同時電子也不至于就在這個壓力下墜入到原子核內，這個“力”也被稱爲簡並態壓力。
這種現象其實並不常見，但是在天文學中卻是很常見的。類似于太陽這樣的恒星，如果演化到生命盡頭，就會形成一顆白矮星。白矮星其實就是電子處于簡並態，簡並態壓力對抗住了自身的引力作用。
但是宇宙之大，無奇不有。在宇宙中，質量要比太陽多一些的恒星，在演化晚期會形成中子星。中子星就屬于電子的簡並態壓力沒有阻擋住引力，導致電子被壓入了原子核中，電子和質子反應生成中子和中微子。中微子由于質量很小，會在形成過程中逃離。最終，這顆恒星就會成爲絕大部分都是中子構成的致密天體。
總結
通過上文的講述，我們知道，由于質子和電子的能量之和小于中子的能量只和，根據能量最低原理，所以電子不會自發地墜入到原子核中和質子發生反應。同時根據泡利不相容原理，即使我們輸入缺失的這部分能量，反應也沒有辦法進行，這是由于電子的簡並態壓力造成的。
關于電子爲什麽不會墜入原子核中，我們就說到這裏。