這種說法其實是不嚴謹的,電子并不是不會墜落到原子核上,只是說“電子在正常情況下是不會墜落到原子核上的”。而在一些極端情況下,電子確實會墜落到原子核上,簡單講:需要極大的能量才行。
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下面來具體講講怎么回事。
其實,人類對原子結構的認知變革是從20世紀初開始的,之前人們一直認為原子是不可分割的最小單元,就像一個實體玻璃球那樣。
不過隨著麥克斯韋提出了偉大的麥克斯韋方程組,統一了電磁學,從而預言了電磁波的存在,很多科學家認為電子在原子核外運行的過程中會不斷釋放電磁波,損失能量,結果就是軌道越來越低,最終就會墜落到原子核上。
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對于原子的結構,科學家湯姆遜最早提出了棗糕模擬性,認為電子應該均勻地分布在原子核內部。不過湯姆遜的學生,盧瑟福之后做了一個著名的實驗,α粒子散射實驗,實驗結果表明,原子內部大部分都應該是虛空的,原子核很小。
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根據實驗結果,盧瑟福提出了另一個原子模型:行星模型。認為原子結構就像太陽系那樣,原子核就像太陽,電子就像八大行星那樣圍繞原子核旋轉。
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不過行星模型仍舊不能解釋麥克斯韋的電磁理論推導出來的結果,電子還是會墜落到原子核上,而現實中電子并不會墜落到原子核上。
緊接著,盧瑟福的學生玻爾提出了一個全新的原子模型,這個原子模型中的核心思想是電子躍遷,認為電子有固定的軌道,如此一來就不會向外輻射電磁波,只有在發生電子躍遷時,才會輻射或者吸收電磁波,從而讓原子結構保持穩定。

而且,電子躍遷輻射或者吸收的能量并不是連續的,而是一份一份的,必須是光量子的整數倍。不過玻爾的這個原子模型仍然有瑕疵,只適用于氫原子,對于元素序數越大的原子,誤差就會越大。
接下來玻爾的學生海森堡登場了,他提出了測不準原理,也就是不確定性原理,認為電子并沒有固定的軌道,電子的位置完全是隨機的,隨機出現在原子核外圍的某個位置,只能用概率去描述,這也被稱為“電子云”。
不確定性原理表明,我們無法同時測量出電子的速度和位置,同時認為觀測行為都會影響電子的狀態。
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之后,泡利提出了著名的泡利不相容原理,該原理表明,兩個或兩個以上的微觀粒子不能處于相同的量子態。用宏觀世界打比方就是,兩個人不同處于同一個房間,如果一個人已經在房間里,另外一個人也想去那個房間,房間里的人就會極度排斥,進而產生巨大的“排斥力”。
這種強大的力量就是“電子簡并壓”,電子就如同房間里的人那樣,會極度排斥“外來者”,進而產生極大的“排斥力”。
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電子簡并壓通常也是物體被壓縮的極限,同時也保證電子不會墜落到原子核上。
不過,如果外部輸入的能量巨大,結果就是電子簡并壓也無法抵抗,于是電子就會墜落到原子核上,與帶正電的質子結合,形成中子星。中子之間也會有強大的“中子簡并壓”,這種力量比“電子簡并壓”更強大。
不過如果外部力量足夠大,中子簡并壓也無法對抗,于是中子也會被迫壓縮到一起,形成黑洞!
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其實從能量的角度解讀也是能說得通的。雖然質子和中子都是由三個夸克組成的,但夸克的種類并不一樣,質子只有兩個上夸克和一個下夸克組成的,而中子是由兩個下夸克和一個上夸克組成的。
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根據愛因斯坦的質能方程,能量和質量可以理解為是一個東西,而電子與質子結合形成中子,說明中子的能量比質子的能量要大。事實上,即便是加上電子的質量,中子的質量還是要多于質子質量加上電子質量,也意味著中子蘊含的能量高于質子與電子的能量之和。

而能量都有這樣的趨勢:總是趨于從高到低,這與水總是往低處流是同樣道理。所以自然情況下,獨自存在的種子,在十幾分鐘內就會衰變為電子和質子,同時釋放出能量,這個過程就是貝塔衰變。
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另一方面也說明了在自然條件下,電子和質子是無法結合成中子的,要想結合,必須有足夠的能量輸入才行!
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