【科學科普】原子內99.9999%都是空的,在這麼大的空間裡會存在什麼東西?

天空之城 2020/10/22 檢舉 我要评论

我們常常聽到有人說原子內99.9999%都是空的,那事實上真是這樣嗎?我們來看一個具體的例子,氫原子是宇宙中最簡單的原子,在處於最低能級(基態)時,它的原子半徑最小,大約為0.528 x 10^-10 米,氫原子的原子核其實就是一個質子,其半徑大約為 0.833 x 10^-15 米,除此之外,氫原子的內部還有一個電子,關於電子的半徑目前我們還沒有確切的數值,但可以肯定的是,電子的半徑不會超過 10^-16 米的數量級。

經過簡單的計算我們就可以得出,氫原子的半徑大約是其原子核的63385倍,按照這個比例,假如我們把原子核放大到一個足球(足球半徑約為0.11米)的大小,那麼氫原子就是一個半徑為6.972公里的巨大球體,而在這個球體裡的電子大概就與一顆普通的玻璃彈珠差不多。

由此可知,原子內的空間大得離譜,我們說原子內99.9999%都是空的,都不足以說明原子內部的空曠程度,事實上,我們還應該在小數點後面加上更多的「9」才行。那麼問題就來了,在這麼大的空間裡會存在什麼東西呢?

根據量子力學的描述,原子內的電子不是規規矩矩地圍繞著原子核運行,而是以一種「概率波」的方式分佈在原子內的空間,它們會按照一定的概率隨機地出現在原子內的空間裡,電子的這種分佈方式被稱為「電子雲」,也就是說,原子內的空間並不是我們想像中的那麼空曠。

那麼在原子內的空間裡,除了原子核和電子之外,還有其他東西嗎?答案是肯定的。

首先就是「希格斯場」,這是物理學家彼得.希格斯(Peter Higgs)在1960年代提出的理論,該理論指出,「希格斯場」在宇宙空間裡無處不在,而正是因為「希格斯場」的存在,構成宇宙萬物的基本粒子才會具備品質。

我們都知道,當物體在水裡面運動的時候,水會對這個物質造成一定的阻礙,希格斯認為,當基本粒子在「希格斯場」中運動時,「希格斯場」也有可能會對其造成一定的「阻礙」,這種「阻礙」程度的大小就是我們所說的「品質」了。

希格斯指出,並不是所有的基本粒子都會受到「希格斯場」的「阻礙」,比如說光子,所以光子的品質就為零,其速度也就是宇宙中最快的速度——光速。需要注意的是,希格斯的理論在2013年的時候就已經得到了歐洲核子研究組織(CERN)的證實,這就意味著,「希格斯場」是真實存在的,而由於「希格斯場」在宇宙中無處不在,所以在原子內的空間裡必定也有它的存在(否則原子核和電子將沒有質量可言)。

除了一直存在的「希格斯場」之外,在原子的內部還有一些「過客」,首先就是光子,光子是傳遞電磁力的基本粒子,因此如果原子處於電磁場中,那麼原子內的空間裡就會有光子。

然後就是中微子,由於中微子體積非常小(半徑大約是 10^-20 米),又不受強相互作用力、電磁力和引力的影響(注:中微子品質極低,引力對它的作用可以忽略不計),所以絕大多數的中微子都可以輕鬆地穿過原子。

在我們地球上,中微子主要來自於太陽內部的核聚變,太陽每秒鐘會釋放出大約 1.7 x 10^38 個中微子,平均下來到達地球的中微子密度可以達到每平方米 6 x 10^14個(600萬億個),因此可以說,在地球上的原子內的空間裡,會經常出現中微子的身影。除此之外,當一些較重的原子核發生衰變的時候會釋放出一些粒子,比如說α粒子或者β粒子(電子或正電子),這些粒子也會在原子內的空間裡短時間地存在。

另外要說的是,在原子內的空間裡,還有可能存在一種基本粒子——引力子。

在宇宙中存在四種基本力,目前我們已經確認了其中三種力的傳遞方式,即強相互作用力由膠子傳遞,電磁力由光子傳遞,弱相互作用力由W±玻色子和Z玻色子傳遞,在這個基礎上,科學家推測引力也是由某種基本粒子傳遞的,這種基本粒子就被稱為引力子。

我們都知道,凡是具有質量的物質都會產生引力,所以說如果科學家的這種推測是正確的話,那麼在原子內的空間裡還會存在著引力子。

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