小城凡人

與其說原子放大像一個宇宙，不如說像一個太陽系。畢竟大多數有此觀點的人，都是因為覺得原子模型與太陽系模型極其相似。

認為原子放大就像一個太陽系，其實是因為你對原子模型認知還停留在60年前，或者是對初中課本中簡化原子模型的印象太深刻了。

我們不妨來簡單瞭解一下它們之間的異同之處，看看我們認知中的它們到底長的什麼樣子？

太陽系到底長什麼樣子？

1766年，德國的一位中學數學教師提丟斯(Johannes Titius)提出一個公式，能夠準確的描述太陽系各行星的軌道距離，1772年柏林天文臺臺長彼得(Johann Bode)將之歸納並公佈於眾，被稱為提丟斯-彼得法則。

公式為：L=0.4+0.3×2^n

L：為太陽系各行星到太陽的距離，以天文單位（A.U.）來計算。1A.U.=1.496x10^8千米，簡單理解1個天文單位就是地球到太陽的距離。

n：取值-∞、0,、1、2、3、4、5、6……由內向外分別對應水星、金星、地球……只是3對應的是火星外的小行星帶。

提丟斯-波得法則的驗證結果：

行星 n L 真實距離

水星 -∞ 0.4 0.39 （2^-∞ =0）

金星 0 0.7 0.72 （2^0 =1）

地球 1 1.0 1.00

火星 2 1.6 1.52

小行星帶3 2.8 2.77

木星 4 5.2 5.20

土星 5 10.0 9.54

天王星 6 19.6 19.18

海王星 7 38.8 30.06

冥王星 8(?) 77.2 39.44

可以說除了海王星和冥王星，提丟斯-彼得法則與實際的行星軌道距離還是穩合得很好的。

但就是由於1930年發現的冥王星與該公式偏差很大的緣故，還是有很多人對其持否定態度，但作為幫助我們簡化記憶太陽系行星軌道距離還是很有用的。

提丟斯-波得法則揭示了一個規律，八大行星的間距從裡嚮往幾乎成倍增長。它們之間的距離變化類似數學上的斐波那契螺旋線。

那原子內的電子運行情況也是這樣的嗎？

原子內到底長什麼樣子？

自從德謨克利特提出“原子論”以後，這個我們曾經認為的宇宙物質最小單位，一直是自然哲學領域的人氣小明星。

大量科學家對它投入了前仆後繼的研究，隨後原子模型經過了一個漫長的發展演變史。

1803年，道爾頓認為原子是一個實心的小球；

1897年，湯姆森發現了電子，認為原子是一個鑲有葡萄乾的蛋糕；

1909年-1913年，盧瑟福通過α粒子散射實驗，發現原子內是空的，並發現了原子核，提出了行星模式的原子；

1913年，玻爾繼承並發展了盧瑟福的原子模型，提出原子運行的能級概念；

1927年-1935年，隨著量子力學的進一步發展，電子雲模式的原子模型得以出現。

但由於量子力學過於複雜，在初中課本中，原子是以盧瑟福和玻爾的模型來介紹的。

這種介紹對於我們學好化學很方便、易記，但也潛意識中加深了我們對原子中電子運行軌跡的錯誤認知，認為它像行星一樣公轉。

這個過於簡化的原子模型，看起來確實就像是行星環繞恆星一樣。但實際上，電子完全以一種我們無法想象的方式在運動。

以上就是電子運行軌道的電子雲圖。紅色的部分是電子出現的地方，黑色的部分是電子從未出現的地方。這和經典的軌道運行完全不一樣，也是“不確定性原理”的必然結果。

電子不是在一個線性軌道上運動，而是在一個類似球面、錐面或其他曲面的內外運動，而不是在節面上運動哦，所以會有上面電子雲圖中明顯的黑色區隔線。

每個電子在自己的能級層上，進行著量子態運動，表現為無處不在，就像一片雲一樣包裹著原子核，因此稱為電子雲。

這種神龍見首不見尾到處亂穿的電子，還像宇宙中的行星嗎？

而且現在大家都知道，原子核還可以分為質子和中子，質子和中子由更小的夸克組成。這也不太像我們的恆星太陽。

顯然原子內遵循量子力學的運動方式，與太陽系遵循經典力學的運動方式完全不一樣。

就算把原子放大1億倍，還是太小了。

質子的質量大約1.7×10^-27kg，即便放大1億倍，也才1.7×10^-19kg。以元素週期表裡最後一個元素118號元素為例，它的相對原子量為294，放大1億倍質量也才294×1.7×10^-19kg≈5×10^-17kg。

而要達到一顆恆星的最小質量至少是太陽的7%，即2×10^30kg×0.07=1.4×10^29kg。

也就是說至少是一個最重原子的2.8×10^53倍。

即便達到這個倍數，我們再來看最近電子到原子核的距離，放大後是多少？

以最小氫原子半徑的0.037nm為例，即0.037×10^-12km×2.8×10^53≈10^40km，而我們地球到太陽的距離為1.5x10^8km。

所以，我們如果生活在這麼一個最小恆星系，同時又離恆星這個遠的星球上，絕對活不了，而且早就飄走了。

關鍵字: 模型 科學 宇宙