前幾天寫了一篇介紹原子的文章，分析在原子核和它的電子之間到底有些什麼。在文章的評論區裡，有位朋友提出這樣一個問題：我們地球表面的空氣分子之間有些什麼東西？如果沒有，它是真空嗎？這個問題很有趣，我們今天就來談一談。
知道你性急，我先說結論：是“真空”，但並不是什麼都沒有。
地球的大氣
我們每時每刻都在呼吸空氣，如果不能呼吸，人和動物就會死亡，植物也將凋零。空氣對我們是如此重要，但卻也是最容易被忽視的東西。
大氣層並非地球所獨有，太陽系所有的行星多多少少都有自己的大氣層，甚至我們一直認為“真空”的月球，它也有一些稀薄的大氣。在地球的海平面，每立方厘米大約有10^19個氣體分子，而在月球表面大約是10^6個分子，看起來不少，但已經可以算是非常好的真空了。
在地球大氣中，乾燥狀態下按體積計算大約包含78.09%的氮氣、20.95%的氧氣、0.93%的氬氣、0.04%的二氧化碳和極少量其它氣體。
地球大氣層，雲層中有大量水
當然，地球的大氣並不乾燥，所以空氣中還混有0.25%（質量）的水蒸汽。水蒸氣的濃度受溫度影響變化非常大，在最冷的地方，空氣中水蒸氣體積濃度大約只有10ppm，而在溼熱的地方可以達到5%的體積濃度，於是我們會說空氣潮溼得“可以擰出水來”。
地球的空氣大多以分子狀態存在，氮氣是由兩個氮原子共價組成的分子，氧氣也是由兩個氧原子共價而成；二氧化碳分子中有兩個氧原子和一個碳原子，水分子則是由兩個氫原子與一個氧原子結合而成。氬氣不同，它是惰性氣體，不能與其它原子結合成分子，所以表現為單個氬原子氣體。
為什麼會有大氣？
中學生會學到，物質主要有三種形態：固態、液態和氣態（當然還有其它特殊形態比如凝聚態、等離子態等等），隨著條件的不同，物質大多在這三種形態間轉化。比如水正常是液態，隨著溫度的降低它會變成固態的冰；溫度升高時它會蒸發成水蒸氣（不是雲或霧，那是小水滴，水蒸氣是單個水分子組成的氣體，你看不見的）。
水有固液氣三態，其它物質也有
在太陽系形成之初，太空中就有大量氫氣、氦氣和一些固體物質，這些物質聚集在一起形成星球，在星球上，重元素下沉、輕元素上升，其中就包括一些氣體物質。氣體物質儘管輕，它也是有質量的，受萬有引力的影響，氣體會包裹在星球的表面形成大氣。
大氣也有分層，那些更輕的氫和氦會處於大氣的最外層，而更重的氦氣、氧氣和二氧化碳會位於最靠近星球表面的地方。
同樣受萬有引力的影響，空氣的密度也會隨著海拔高度的上升而逐漸降低，在地球表面100千米的高度，空氣就變成極其稀薄，已經接近真空狀態了。在這個高度，飛機的翅膀完全不起作用，所以100千米被稱為“卡門線”，它的上方就是我們常說的太空，太空裡也是有一些空氣分子的。
飛機只能在空氣中飛行
空氣分子
在我們的空氣中除少量的水蒸氣外，其它基本都屬於非極性分子。認識到這一點很重要，因為它決定了分子之間力的關係以及分子之間保持的距離。
氮氣和氧氣分子都是非極性分子
我們在前面已經介紹過，氮氣、氧氣以及極微量的氫氣和氦氣都是由兩個相同的原子組成分子，這兩個原子得失電子的能力相同，因此當它們組成分子時，整個分子對外不表現出極性；二氧化碳由於是兩個氧原子中間夾著一個碳原子並且三個原子處於同一個軸線上，因此它也是非極性的。
分子的極性
空氣中的分子都受到地球引力的影響，重力會使它們下沉並聚集在一起；與此同時，氣體分子之間還存在一種相互作用的力——範德華力。
那麼，氣體分子可以沒有空隙地相互粘連在一起嗎？並不能。範德華力有一個奇特的現象：當兩個分子距離大於0.6納米時，它們相互的作用力接近於0；在小於0.6納米時，它們會相互吸引；而當這兩個分子足夠接近，到相距0.4納米時，它們又彼此推開。這是因為分子表面沒有極性，它的表面都帶負電荷，同性相斥，因此非極性的空氣分子不會緊貼在一起。我們知道氧氣分子的尺寸大約在0.346nm，氮氣分子大約是0.364nm，因此空氣分子之間差不多是“互相手拉手”，但隔著一臂之長時就會彼此推開決不粘在一起，“社交距離”保持得很好。
空氣分子之間因電荷相斥而“保持社交距離”
空氣分子之間有什麼？
現在你已經知道空氣分子之間是有距離的，那麼在空氣分子之間有什麼呢？是“真空”。
你可能注意到了，我給真空加上了雙引號。因為絕對的真空其實不存在，它只表達一個泛指的意思。大氣層100公里高度“卡門線”上方的太空被稱作真空，國際空間站400公里高度被稱作真空，月球表面也被稱作真空，其實這裡都是存在氣體分子的。
那麼，氣體分子之間的真空為什麼還不是真空呢？因為理論上它並不是什麼都沒有。
太空中充滿各種粒子及射線
科學家們經過計算，發現在地球表面每平方釐米的面積內，每一秒鐘會有650億個太陽中微子穿過，這些中微子從太陽中心產生併發射出來、以接近光速的速度到達地球並穿過地球，它們是中性粒子。所以說，在任何一個時刻，地球表面每立方厘米的空間裡至少有22個太陽中微子，宇宙中微子的數量可能更多些。只是與億億級的空氣分子數量比起來，中微子的數量微不足道罷了。
真空中充斥著中微子
光子算不算？光子有波粒二象性，但嚴格地說它是波而不是粒子，光子的尺寸為0、靜止質量也為0，因此儘管空氣中有無數光子，但它並不是有形的顆粒。所以我們說空氣分子之間還有電磁波。
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