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原子核与电子之间有什么?是真空吗?

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宇宙时空 2021-06-14 17:57

原子是什么样子的?

这似乎是个很傻的问题,因为只要一提到原子,许多人就会知道原子是由原子核与核外电子组成,电子围绕着原子核高速旋转,就像下面这张图一样。

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传统的原子图像

也有的朋友说这样画原子是不对的,原子核外围的电子有不同的轨道,它是一层一层分级的,比如说镭原子应该画成下面的样子。

镭原子的电子轨道图

这样画对吗?

你不能说它不对,因为在我们的常识里,原子它就是这个样子,并且全世界的中学教科书里全都是这样教的,它表示了原子的构成原理。

然而实际上,不仅原子本身极小,在一个原子里,原子核与电子更是小到看不见。我经常拿体育场来打比方:当我们将一个氢原子放大到一个大型体育场那么大时,原子核不过是场中央的一颗绿豆,而电子呢?它可能只是最边缘看台座椅上的一粒微尘。

原子内部很“空”

看起来原子很“空”,对吧?

那么问题来了,在原子核与电子之间的“巨大”空间里到底有什么东西呢?它到底是所谓的“真空”,还是填充了某些神秘的东西?要想搞清楚这些问题,我们还得从原子本身说起。

原子的结构

原子是构成世间万物的基本粒子,它非常小,尺寸大约仅是1纳米的十分之一,也就是大约一百万分之一毫米。由于它的尺寸远远小于可见光的波长,因此我们不能使用任何一台光学显微镜观察到它。直到扫描隧道电子显微镜出现后,人们才得以间接“观察”到单个原子表面的情况。

扫描隧道电子显微镜观察到的硅表面原子

我们可以看到原子中间的原子核吗?并不能。

即使原子核与核外电子之间“相距遥远”,即使光子比电子更小(光子没有体积),但光子依然无法穿过电子所形成的屏障。因为光子总是表现为电磁波,它要么被电子吸收,要么被电子形成的电磁场屏蔽,因此大多数光子无法顺利穿过原子。

中子与中微子可以穿过原子(极小概率撞入原子核),它们是中性电荷的亚原子粒子,所以不会与原子内部的电磁场发生相互作用。

在原子核的表面有非常强大的磁场,比如说元素铋的原子核表面的磁场强度甚至与中子星表面相当,只是它的尺度极小,这个磁场仅对围绕着原子核运动的电子起作用。

原子的结构图

电子是什么样子的?

没有人知道电子实际是什么形状,我们看不到电子。传统物理理论认为,电子是一个极微小的小球体,它很轻,质量仅为9.11×10⁻³¹kg,它在原子这样的极小尺度里以接近光速运行。

但是在原子这么小的尺度下,经典物理理论无法解释许多奇怪的现象,我们需要利用量子力学。

量子物理认为,电子不是一个球,而是一团云。一个电子在它的轨道上可以出现在这里又同时出现在那里。尽管这很难让人理解,但它就是量子力学对电子云的解释:原子核中的质子通过其强大的电磁力制造了一个静电场势阱,电子被束缚在这个势阱中,电子云就是其中的一个区域;由于电子具有波粒二相性,它便成为这个区域中不断变化的三维驻波,电子的轨道就是空间中扩展的量化波函数。

不同的电子轨道

由于围绕在原子核周围s轨道中电子的波函数实际上一直会向下延伸到原子核表面,这意味着电子在某些时刻会“进入”原子核。从这个意义上讲,电子与原子核之间的空间并不是真正的“空”,而是充满着电子。

与此同时,电子和原子核的质子或中子之间存在不断的相互作用,这包括电磁作用和弱力作用。在量子场理论中,电子会与质子在电磁作用下不断地交换光子、与中子在弱力情况下不断交换波色子。因此我们也可以说,电子与原子核之间的空间被这些力“填满”了。

电子云填满了原子核周围的空间

现在,让我们回到本文最初关心的问题:

原子核的周围到底有什么?

有电子。

在经典物理学看来,电子是粒子,它围绕在原子核周围运行;电子的运动形成了电磁场,这种电磁场会排斥其它原子表面的电磁场,从而使原子之间保持距离。我们可以说在原子核与电子之间是真正的“空白”。

而在量子物理看来,电子是量子粒子同时也是波,它没有特定的位置,所有的存在都是粒子在任何给定时间位置概率的集合,它分布在原子核的周围形成“云”,近至原子核本身,远至银河系的另一端。电子云是一层“坚固的”概率云,它包裹着原子核,所以原子核周围没有“空白”。

除了电子之外呢?

除电子之外都是过客。无论是γ射线光子、部分X射线光子、中微子还是极少数自由中子,它们都只是一闪而过,不会长时间呆在原子内部的空间里。

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