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氫原子核和電子之間的作用力

生活 更新时间:2024-08-19 19:20:11

在現實世界之中,兩個物質之間的距離能有多遠呢?你可能馬上會想到天體與天體之間的距離,是的,在茫茫宇宙之中,兩個天體之間的距離是非常遙遠的,即便是與地球最近的月球,也與我們相距38萬公裡之遙,而在太陽系之外,天體之間的距離動辄便要以光年來進行計算。

在宏觀世界中,兩個物質之間的距離可以用遙不可及來形容,而在微觀世界中,這種現象同樣存在。什麼是微觀世界呢?平日裡說到長度單位,我們馬上就會想到千米、米、分米、厘米以及毫米,這些長度我們都可以使用常用的工具來進行準确的測量,而如果長度單位變得更小,我們就無能為力了,我們不僅無法目測,甚至于根本就看不見它們,比如微米和納米,這就是微觀世界。如果想要測量一個納米級物體的長度,就必須要使用特制的儀器。

氫原子核和電子之間的作用力(氫原子由質子與電子組成)1

在宏觀世界中,“一滴水”可以完美诠釋“小”的定義,而就在這一滴水中,卻可以容納下一個我們所難以想象的世界。

細菌是我們用肉眼無法直觀看到的微小生命形式,而就在這一滴水之中,可以容納的大腸杆菌數量在5000個之多。

病毒是一種比細菌更小的“生命”,之所以打上引号,是因為病毒到底是不是生命,目前還存在着争議,而在一滴水之中,可以容納的病毒數量超過2億。病毒很小,但再小,它也是一團遺傳物質,所以是無法與單個分子相比的,所以水分子的體積要比病毒小得多,那麼一滴水是由多少水分子所組成的呢?一滴水中大概包含了2萬億億個水分子。對于我們而言,水分子太小了,根本無法用肉眼看到,但科學家們已經通過特制的儀器測量出了水分子的直徑,約為0.4納米,而1納米等于10的-9次方米。

氫原子核和電子之間的作用力(氫原子由質子與電子組成)2

水分子極小,但并非物質的最小形态,它是由兩個氫原子與一個氧原子所組成的,也就是說一滴水之中包含了2萬億億個氧原子和4萬億億個氫原子。

氫原子有三個同位素,分别為氕、氘、氚,氕原子核中隻有一個質子,所以它就是世界上最小的原子。氕雖小,卻仍不是物質的最小形态,因為它是由一個質子和一個電子所組成的。氫原子的直徑約為0.1納米,那麼是不是說質子和電子的直徑在0.05納米左右呢?并不是。首先,電子與質子的體積相差十萬八千裡,如果說質子是一個足球場的話,那麼電子頂多也就是足球場上的一個足球,其次,電子與質子相加,并不等于一個氫原子。

氫原子核和電子之間的作用力(氫原子由質子與電子組成)3

如果說電子是一個足球,而質子是一個足球場,那麼整個氫原子就可以算得上是一個地球了。

氫原子之中隻有一個質子和一個電子,為什麼氫原子的體積會比質子和電子大了這麼多呢?除去質子和電子之外,剩餘的部分是什麼呢?是空間,在質子和電子之外是看似什麼都沒有的空間。氫原子已經小到直徑僅有0.1納米了,而氫原子中的質子更是小得不成樣子,直徑約為1.7乘以10的-15次方米,而電子的大小隻有不到質子的千分之一。

電子作為一種基本粒子,可以說是物質的最小形态了,但它的大小并不代表最小的長度單位,也不代表理論上最小的體積單位。那麼宇宙中最小的長度單位和最小的體積單位能夠小到何種長度呢?我們将最小的長度單位稱為普朗克長度,将最小的體積單位稱為普朗克單位。

氫原子核和電子之間的作用力(氫原子由質子與電子組成)4

普朗克時間是宇宙中最小的時間單位,為10的-43次方秒,比這個更短的時間沒有意義。

光速代表了宇宙間最快的速度,而光在一普朗克時間所移動的距離即為普朗克長度,約為1.6乘以10的-35次方米。如果說普朗克長度就是一粒米的話,那麼一個質子的大小比整個地球還要大得多。當我們以普朗克長度作為邊長構築一個立方體,這個立方體的體積就是最小的體積單位,即為普朗克單位。

那麼普朗克單位到底有多小呢?我們可以舉一個形象的例子,假設真的有普朗克單位大小的物質,那麼一個氫原子對于這個物質而言,就相當于一個宇宙。所以在盡情釋放我們的想象力的時候,我們會幻想我們所生活的宇宙其實可能就是一個原子,這真是十分的有趣。

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