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原子内部存在绝对真空?除了原子核与电子,原子里面还有什么?

2024-10-23科学

你知道原子长什么样吗?

你可能知道它是由原子核与核外电子组成的,但你可能想象不到这两种东西在整个原子中所占的比例是什么样的,因为真正的比例是无法通过图像表现出来的。我们通常所见的原子图像,就是中间有一个大球表示原子核,在其周围环绕着许多电子。没错,原子核在原子之中的确占有举足轻重的地位,它的质量占据了整个原子质量的99.96%,但它的体积明显与其质量不相称,它的体积很小,大概只占原子体积的几千亿分之一。是不是有些惊讶?其实原子核并不是原子中最小的部分,电子的体积比原子核还要小。

这么比喻吧,如果按照真实的比例,我们把一个原子比喻为电脑屏幕,那么原子核勉强能够在屏幕的中间点上一个点,而电子的大小则远达不到一个像素点,所以根本没法显示出来。

现在你应该明白了,为什么从来也没有看到过真实比例的原子图像,因为实在是没法画。现在问题来了,既然原子核与电子的体积都这么小,那么原子的内部岂不是一片空旷?这里面有什么呢?还是说真的什么也没有,是一种绝对真空的状态?

什么是绝对真空?

绝对真空就是指空间内不存在任何物质、能量、作用力以及辐射。这种绝对真空,在宏观世界显然是不存在的,难道在原子的内部可以实现吗?这就要对原子的内部结构进行更为细致的研究了。原子的核心就是原子核,其中有质子和中子,质子的数量决定了一种原子的属性,比如原子核内有一个质子的是氢原子,如果再加进去一个质子,就会变为氦原子。在原子核之外是电子,电子的数量与原子核内质子的数量是相等的。

电子之所以会围绕原子核运动,是因为电子带负电,而原子核内的质子带正电,异性相吸原理使得电子不会轻易脱离原子核。

表面上看,电子围绕原子核运动,很像行星环绕恒星运动,但其实二者是截然不同的。行星围绕恒星运动,是因为恒星的引力作用,行星自身的质量、速度以及与恒星的距离决定了一颗行星的特定轨道。但电子不是这样,电子没有特定的轨道。在原子核周围有着不同的能级,每个能级都能容纳一定数量的电子,而电子会在不同的能级之间跃迁。

电子并不确切存在于某一个位置之上,我们描述一个电子的位置只能通过波函数来表示,具体一点来讲就是只能描述一个电子出现在某个位置的概率。

这样一来,电子便不再是以一个点的形式存在于原子核周围,而是以一片云的形式存在于原子核周围,我们就将这片云称之为「电子云」。如此来看,原子内部其实并不空旷,它实际上已经被电子云填满了。当然,这种「满」只是理论上的,在特定的时间,电子依旧只能出现在一个特定的位置上。如此说来,原子内部还是空的了?

原子内部的大部分区域虽然没有物质,但却存在着电磁场。

电磁场是由电磁作用所产生的,而电磁作用来源于原子核对电子的吸引力,也就是库仑力,再加上电子之间的相互排斥力,也就是泡利不相容原理,这些力量在原子内部实现了平衡。由此可见,无论是在宏观世界,还是在微观世界,绝对意义上的真空,没有物质、没有能量、没有辐射、也没有作用力的空间都是不存在的。或许未来我们还会在空旷的原子内部再发现一些新的东西。