06.04 原子中絕大部分空間都是空的,那麼我們能將它縮小嗎?其實很簡單

上一篇文章我們說到了關於原子大小的一個數據,就是一滴水中就大約有5000億億個原子,然而原子雖然已經這麼小了,但在它的內部卻又是十分的空曠,因為原子是由電子、質子和中子構成的,質子和中子構成了原子核,電子則在外面圍繞原子核運行,它的運行速度非常快,不過現在科學家們不再關注電子的速度,而是多以電子雲的概念來理解原子。

原子中絕大部分空間都是空的,那麼我們能將它縮小嗎?其實很簡單

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為了便於理解原子內部有多麼的空曠,我們還是打一個這樣的比方吧:假如一顆氫原子(氕)的原子核是一個直徑一米的球體,那麼圍繞它運行的電子還不如一個乒乓球大,但是它的距離卻遠在原子核30公里之外,運行的速度也非常快,從原子核邊上看過去,好像滿天都是這個電子,那麼如果從原子的外面看上去,這個電子已經圍繞原子核旋轉成了一顆球體,直徑可達60公里,但是在這麼大的一個大球中,可觀測到的物質卻只有一個質子和一個電子,總體積還不到1立方米,所以如果把原子比作太陽系,那麼原子裡面甚至比太陽系還要空曠。

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這樣我們或能感受到原子的裡面到底有多麼空曠了吧!那麼我們能將原子這樣的體積壓縮嗎?其實原子的體積從來都不是確定的,在不同的環境中,它的體積的變化很大,其實要想縮小原子的體積很輕鬆,我們平時就經常做這樣的事情。

比如我們給自行車打氣,當我們將打氣筒中的空氣向下壓縮的時候,一筒子空氣壓到只有原來體積的幾分之一,在這一過程中,原子間的距離就會被壓縮,相應的原子的電子與原子核的距離也會被壓縮一些,只是幅度比較小罷了,但是原子體積肯定會有一些變化的。

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其實不單是打氣的現象,我們平時看到的很多物理和化學現象,比如加熱或者冷凍,或者某些元素的發生化學反應的現象,都會在原子的層面造成狀況上的改變,這也會在一定程度上改變原子的體積。

我們再以氫原子來說,太陽系的最大行星木星上就有著豐富的氫元素,氫原子的體積變化在木星上就體現得比較明顯:木星的大氣層中就有大量的氫元素,含量佔到了木星大氣層的90%,隨著木星大氣層從表層到底層的深入,其中氫原子的體積就在不斷的縮小中,木星大氣層的底部是液態氫的海洋,就是氫氣已經被壓成了液體,這裡的氫原子的體積就會比木星大氣層中氫原子的體積小很多,而液態氫的海洋下面是金屬氫,就是氫氣已經呈現出了固態的金屬性質,其中氫原子體積相對液態氫又會小一些。

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但金屬氫並非氫元素體積最小的時候,在太陽的內部,體積更小的氫原子會由於高溫高壓的作用被合成為氦原子,當太陽演化的老年的時候,氫元素被消耗殆盡,碳和氧元素將會佔據絕大部分,由於壓力不足以使氧繼續進行核聚變,所以太陽將成為一顆白矮星,其自身巨大的引力將促使電子在原子核之間流動,所以白矮星就像一個等離子體球,其中原子的體積就非常非常小了。

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不過能徹底終結原子狀態的是中子星,當原始質量在太陽的8到30倍之間的大質量恆星發生超新星爆發的時候,巨大的壓力會將電子直接壓到原子核的質子裡面,形成一顆中子,那麼如果這時候我們再以前面講的“直徑60公里的空曠原子”的比方來形容此次原子的體積,實際上它已經從我們認為的常態下的直徑60公里大小變成了直徑1米大小,變化之大很驚人吧。

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中子星可以終結原子狀態,但是黑洞卻可以毀滅原子,因為黑洞可以將這個“直徑1米大小的球體”進一步壓碎,具體能壓到有多小?還沒有人知道,因為我們對黑洞中的世界目前還一無所知。

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