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探索原子内部的奥秘,你从来没有真正接触过任何东西!

在我们的日常生活中,见到过很多微小的东西,比如说头发丝,非常纤细。但你知道吗,即便是一根头发丝的直径,也相当于30万个原子的宽度!

如果按比例来放大,把原子放大到肉眼可见的大小,那么头发的直径能达到20公里!

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更形象的类比是这样的,如果原子有苹果那么大,那么苹果就有地球那么大!

不过,即便是微小的原子,也有自己的内部结构,也有更小的粒子构成。原子中心是原子核,外层是电子。而原子核又是由质子和中子构成的。地球上94种自然元素都是由质子中子和电子构成的,区别就在于数量的不同。

探索原子内部的奥秘,你从来没有真正接触过任何东西!

我们每个人的人体上都包含大约7乘以1000的9次方个原子,非常庞大的数据,我们就是由无数个原子构成的。

很多人会认为原子一定是非常致密的微观粒子,不然就不会组成看起来致密的人体。但其实不然,原子不但不致密,它的内部反而非常空旷。

实际情况下,原子内部99.99%的空间都是空的,到底有多空?

打个比方就明白了。如果原子有一个足球场那么大,那么原子核顶多只有一个玻璃球那么大,而电子就更小了,比一粒芝麻还要小。除了原子核和电子原子内部再没有其他物质,你可以想象原子内部到底有多空旷了!

既然原子内部如此空旷,由原子组成的你我的身体也应该非常空旷才对,但为什么我们的身体看起来一点也不空旷呢?

不只是人体,我们看到的万事万物也都不是空旷的,都是非常致密的实体,为什么会这样?

除了质子,中子,电子等基本的粒子之外,还有无处不在的相互作用力。

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比如说,质子和中子依靠强力结合在一起,电子虽然很小,但并不是像地球围绕太阳那样围绕原子核旋转,而是遵循量子力学的不确定性原理,非常随机地出现在原子核周围,就像电子云那样无处不在。

还有,打我们触摸或者击打某个物体时,并不能因为原子内部的空旷而直接穿过物体,比如说打乒乓球时,乒乓球并不会直接穿过球拍,这是因为原子外层的电子会产生强大的排斥力。

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从微观领域来讲,我们击打的并不是乒乓球,而是乒乓球原子外层电子产生的磁场,电子产生的排斥力让乒乓球和球拍永远不会真正接触。这也意味着其实我们从来没有真正触碰过任何东西。

当然,从宏观上来讲,物质的范畴并不仅仅局限在能看到摸到的东西,电场和磁场也属于物质的范畴,只是与普通的宏观物质有些不同罢了!

连续光谱

——从原子核外电子能级的不确定性谈能量的量子化悖论

探索原子内部的奥秘,你从来没有真正接触过任何东西!炽热钢球的连续光谱

探索原子内部的奥秘,你从来没有真正接触过任何东西!穿过燃烧气体的光谱吸收线

炽热的钢球或者白炽灯的灯丝,发出的光(大部分为可见光)包含所有波长,是连续光谱。但是,高温铁蒸汽,或者其它稀薄的原子气体在高温时,发出的光是明线光谱。

这个现象说明两点,一个是单个原子的核外电子有固定的能级,在各能级之间跃迁时发射或吸收的光子的频率是固定的,量子化的,称为特征光谱。第二个是固态或液态的原子聚合体,其所有核外电子的能级是连续的,无法用光谱来区别原子的类别。

探索原子内部的奥秘,你从来没有真正接触过任何东西!高温气体的明线光谱

对于单个原子,围绕原子核的电子,一定遵守能级轨道规律,同类型的原子有相同的特征光谱。明线光谱和吸收光谱完全重合。而聚合体中的电子,就算是在同样的轨道上,也不一定有相同的能量值。所以,激发时各个电子发出的光,能量(频率)在每条明线处延展开来,填满了所有的频率空间。这隐含了一些问题。首先是电子可以拥有不同的能量。然后,电子的能量是怎么来的?是什么因素决定电子能量的大小?又是如何来调节电子能量大小的?

从炽热灯丝或者炽热钢球发出的连续谱线光这一现象,可以认为,电子在一定范围内可以具有任意大小的能量值。这和量子理论似乎有矛盾。因为电子的能量增加或减少,可以不是一份一份量子化的,是可以连续的。只在单个原子中的电子发生跃迁时,其能量变化是量子化的。

一些理论对上述现象有猜测性的解释,但解释不很清楚,理由也不充分。大家一起来探索吧。

能量、空间间隔、时间间隔,是三个基础的物理量,其它物理量都可以由这三个量的各种组合来描述。

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