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原子內部存在絕對真空?除了原子核與電子,原子裏面還有什麽?

2024-10-23科學

你知道原子長什麽樣嗎?

你可能知道它是由原子核與核外電子組成的,但你可能想象不到這兩種東西在整個原子中所占的比例是什麽樣的,因為真正的比例是無法透過影像表現出來的。我們通常所見的原子影像,就是中間有一個大球表示原子核,在其周圍環繞著許多電子。沒錯,原子核在原子之中的確占有舉足輕重的地位,它的品質占據了整個原子品質的99.96%,但它的體積明顯與其品質不相稱,它的體積很小,大概只占原子體積的幾千億分之一。是不是有些驚訝?其實原子核並不是原子中最小的部份,電子的體積比原子核還要小。

這麽比喻吧,如果按照真實的比例,我們把一個原子比喻為電腦螢幕,那麽原子核勉強能夠在螢幕的中間點上一個點,而電子的大小則遠達不到一個像素點,所以根本沒法顯示出來。

現在你應該明白了,為什麽從來也沒有看到過真實比例的原子影像,因為實在是沒法畫。現在問題來了,既然原子核與電子的體積都這麽小,那麽原子的內部豈不是一片空曠?這裏面有什麽呢?還是說真的什麽也沒有,是一種絕對真空的狀態?

什麽是絕對真空?

絕對真空就是指空間內不存在任何物質、能量、作用力以及放射線。這種絕對真空,在宏觀世界顯然是不存在的,難道在原子的內部可以實作嗎?這就要對原子的內部結構進行更為細致的研究了。原子的核心就是原子核,其中有質子和中子,質子的數量決定了一種原子的內容,比如原子核內有一個質子的是氫原子,如果再加進去一個質子,就會變為氦原子。在原子核之外是電子,電子的數量與原子核內質子的數量是相等的。

電子之所以會圍繞原子核運動,是因為電子帶負電,而原子核內的質子帶正電,異性相吸原理使得電子不會輕易脫離原子核。

表面上看,電子圍繞原子核運動,很像行星環繞恒星運動,但其實二者是截然不同的。行星圍繞恒星運動,是因為恒星的重力作用,行星自身的品質、速度以及與恒星的距離決定了一顆行星的特定軌域。但電子不是這樣,電子沒有特定的軌域。在原子核周圍有著不同的能階,每個能階都能容納一定數量的電子,而電子會在不同的能階之間躍遷。

電子並不確切存在於某一個位置之上,我們描述一個電子的位置只能透過波函式來表示,具體一點來講就是只能描述一個電子出現在某個位置的機率。

這樣一來,電子便不再是以一個點的形式存在於原子核周圍,而是以一片雲的形式存在於原子核周圍,我們就將這片雲稱之為「電子雲」。如此來看,原子內部其實並不空曠,它實際上已經被電子雲填滿了。當然,這種「滿」只是理論上的,在特定的時間,電子依舊只能出現在一個特定的位置上。如此說來,原子內部還是空的了?

原子內部的大部份區域雖然沒有物質,但卻存在著電磁場。

電磁場是由電磁作用所產生的,而電磁作用來源於原子核對電子的吸重力,也就是庫侖力,再加上電子之間的相互排斥力,也就是包立不相容原理,這些力量在原子內部實作了平衡。由此可見,無論是在宏觀世界,還是在微觀世界,絕對意義上的真空,沒有物質、沒有能量、沒有放射線、也沒有作用力的空間都是不存在的。或許未來我們還會在空曠的原子內部再發現一些新的東西。