如果原子99.99%为空,为什么大部分物体不透明?我们还能感觉到物体?

歆琳科普


这个问题的前提都是原子的内部空间十分空旷,我们先说下这个想法是否正确,然后再分两个部分回答「物体为什么不透明?」和「我们为啥为啥对物体有触感?」

原子内部是否空旷

首先,原子内部几乎是空旷的空间,这个想法在现在看来并不正确。我们这样认为的原因是将电子,中子和质子视为一个个小球,而电子像行星一样围绕着太阳公转,在我们刚接触原子理论的时候,看到的大多数原子模型都是这样的,但对目前来说这是错误的。实际上,这些“亚原子粒子”并不是字面意思上的粒子,也不是波。它们都具有特有的量子性质,具有波粒二象性,但并不是其中的任何一个。这样导致的结果就是这些粒子没有固定的大小和位置,而是以概率方式“散布”在整个原子空间。也就是说,原子的空间不是空的,电子会尽可能地占据最低能态的位置,并且布满整个空间。

为什么大部分物质不透明?

光是量子粒子,其波长比原子大一千倍。因此,光不能“进入”任何原子,只能与原子最外层的电子相互作用。这与原子内部是“空”还是“满”没有太大的关系。

物质是否透明以及物体具有什么样的颜色,取决于光子如何与该材料原子中的最外层电子相互作用。如果光子携带的频率(能量)没有被外部电子吸收,那么大部分光子就会直接通过原子。这就是为什么X射线可以穿透人体,窗外的风景可以透过玻璃的原因,仅仅取决于射向物体的光子是否被吸收的问题。

在我们生活中的无线电波只是波长更长的光,并且可以穿透大多数常见的材料。但是和所有的量子粒子一样,频率和相互作用是几率具有一定的概率性。即使某些频率的光子很少会被物质吸收,但随着物质厚度的增加,那么光子被吸收的机会也会变大。这也是为什么无线电信号无法穿透地下深层的原因。下面说第二个问题!

为什么物质会占据空间?

其实第二个问题还牵扯到了另外一个概念,为什么物质会占据空间?或者说为什么两个物质不能同时占据同一空间?我们在日常生活中所能看到的所有物质都是由质子、中子、电子构成的,这些都属于费米子。沃尔夫冈•泡利阐述的泡利不相容原理,指出两个或两个以上相同的费米子不可能同时占据一个量子系统中的同一量子态。因此原子并不会因为库仑力塌缩,物质才会占据空间。

那么,为什么我们会感触到物体呢?

在物理学中没有“触摸互动”这么一说。我们只有四个相互作用力:引力,电磁力以及强和弱相互作用。引力仅在非常大的尺度上才占主导地位,而核力之所以称为核力,是因为它们的作用范围实际上受制于核大小的数量级,比原子小了数千倍。

因此,我们现实中除了引力将我们控制在地球上以外,能感觉到的大多数事物都是电磁力的原因。从视线到气味,神经活动,身体化学,细胞新陈代谢甚至触觉都只是变相的电磁相互作用。那么什么是“触摸”?

如果我们将手指移动到某个物体附近,起初不会发生任何事情。原子总体上是呈电中性的。我们不会感觉到直接的静电排斥或吸引。但是,手指移动到与原子本身大小相当的距离,我们就会感受到静电排斥力。

物体原子和手指原子的电子云开始相互排斥。由于原子核还被电子云屏蔽,因此一个负电荷的物质与另一个带负电荷的物质非常接近。经典的静电学告诉我们,原子之间将存在排斥力。

固体物质是由许多原子紧密联结而成。如果我们的手指推动顶层原子,则下面的所有的原子都将受到推力。这就是为什么固体物体会有固体的感觉。而气体原子结合的非常松散,我们可以轻易的把气体原子推开,所以气体对我们的感触非常非常小。

所以我们从来没有真正接触到任何一个物体的原子。皮肤和物体之间总是有最小的距离,在这个距离上,静电排斥力非常强,足以刺激我们皮肤下的神经末梢,让我们感觉像是在触摸物体。


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