原子核很小,圍繞的是電子,原子的體積是靠什麼支撐出來的呢?

別有洞天33


原子與原子核大小相差很多,有點像我們太陽系,太陽在中間只佔那麼一小點空間,卻有半徑一光年的巨大引力場(奧爾特云為邊際),而太陽卻佔有整個太陽系質量的99.86%,所以常常有人把原子與太陽系運行打比,認為這個世界從微觀到宏觀都是一樣的。

原則上,原子核的中心到電子雲邊緣的距離是原子半徑。但問題是,電子可以出現在任意地方,甚至可以距離原子核無限遠,所以電子雲的邊緣沒有明確的定義,這使得原子的大小也沒有明確的定義,測量單個原子的大小是不可能的。另外,原子所處的狀態不同,半徑也會變得不同。這就搞不懂了,原子的體積到底是怎麼形成的呢?電子沒有質量,原子靠什麼支撐出來的呢?難道是電子雲?無法理解,值得研究。

高顯微鏡實拍圖如下:圖三是一群原子,圖四是一圈鐵原子附著在一群銅原子上






別有洞天33


我認為,是圍著原子核高速(很可能是光速旋轉)的核外電子,在某種程度(比如目前最先進的探測儀器的最強感知度)上就形成了原子的邊界(也就是電子雲的外圍),從而撐起來原子的體積。還有,我一直認為,原子和太陽系,銀河系乃至整個宇宙,都是無限大與無限小的關係。


劍馬書生


這個問題不能簡單用行星模型來理解,偏差比較大!較好地理解這個問題需要一定的量子力學基礎。但我希望能用簡單的語言幫你理解這個問題。

一、原子核太小了

原子核跟原子比相差確實比較大,半徑差十萬倍左右,體積差約10^15倍,大概是一千萬億倍左右。這麼大的體積差距,質量卻集中到原子核上。這是早期科學家無論如何都想不到的。直到盧瑟福做實驗發現了這個事實,依然令大多數科學家震驚。


二、電子的軌道



其實最困擾科學家的,不是原子體積的問題,而是電子為什麼不會掉到核上的問題。無論從傳統力學上,還是從傳統電磁學上,電子都應該瞬間掉到核上去,但它就是不會掉下去,這是違反科學常識的。

最早幫我們解釋這個問題的是波爾,一個跟愛因斯坦齊名的科學家。他給電子的穩定性做了一些假設,他認為原子周圍存在固定的軌道,電子只能在這些軌道上運動,不能隨意地活動。這些軌道之間切換需要能量的吸收和釋放,吸收和釋放的能量是光子。不同的軌道之間能量差不同,吸收和釋放的光子也不同。波爾幫我們較形象地理解了電子不會掉下去的問題,所以直到現在學校裡學量子力學都是先學這一段。但是波爾的解釋,有一定的的誤導性,比如我們現在還是把電子的活動範圍叫軌道。其實電子的運動範圍不是一條簡單的軌道,而是一定的空間範圍,甚至不同軌道電子的活動範圍從空間上有很大重疊。

很多的問題,用簡單的行星模型,是難以理解的。最重要的是其實電子根本不是一個粒子,它具有波粒二象性,既有粒子的性質也有波的性質。現在的電子軌道模型,就是用波粒二象性規律計算出來的。也就是說,電子的軌道無需人為規定,人家就該那樣運動,也不會掉下去。具體的計算太麻煩了,在這裡不展示了。



三、原子間作用力

原子間可能有多種作用力,典型的有共價鍵、離子鍵、金屬鍵、範德華力等。這些力都是把兩個原子系在一起的力。但每一種力都不可能把原子核系在一起。因為原子之間既有引力,又有斥力。距離遠,引力大於斥力,距離太近斥力又大於引力。這種力,你可以簡單理解為電磁力(雖然實際更復雜一些)。之所以有斥力,因為兩個原子的電子相互排斥,原子核也相互排斥,而且距離越近排斥力越大。

稍微理解深一些,就是電子在不受外力的情況下,在理論軌道上運動。一旦兩個原子靠近,電子的活動範圍就會受到擠壓,能量會升高,體系不穩定,急需恢復原狀。引力斥力平衡,狀態穩定,斥力大於引力,就有恢復平衡的一股力量。



四、原子可壓縮

原子受到極大的外力,可以破壞原有的平衡,克服斥力使原子半徑變小。比如氫氣收到壓力可以變成固體,固體再受壓力,可以從分子晶體變成金屬。據說金屬氫具有常溫超導的特性。

再比如白矮星自身引力特別大,把原子壓縮到很小,小到所有電子都在同一電子層上運動,能量都相同,這個狀態叫全簡併態。也就形成了密度特別大的白矮星物質,一個足球大小的白矮星物質,相當於地球上一座山的重量。由於這個力太大,有沒有任何地球材料能夠承受,所以,現在在地球上還不能做實驗模擬,只能計算機模擬。

壓力再大,就有可能把電子壓倒原子核上,電子結合質子變成中子,原子核不復存在,電子也不復存在。所有原子都變成了簡單的中子堆積,這就是中子星物質。比中子星更大的壓力,有可能把中子壓碎變成黑洞物質,這是地球文明還沒有完全理解的物質狀態。



分享到:


相關文章: