原子核放大到篮球场那么大,拿(工具)去刮凿挖,能挖到边角料吗?

原子核放大到篮球场那么大,拿(工具)去刮凿挖,能挖到边角料吗?

这是一个异想天开的问题。因为原子看不到摸不着,许多人就有这种幻想,就希望把它放大来看看到底是个啥模样。现在我们就来通过这种假设,了解一下原子的有关性质。

原子核放大到篮球场这么大,原子有多大?

一个标准的篮球场,长度为28米,宽度为15米,周边还要有一些空地。通常人们认为原子和原子核都是圆球状的,我们就按照篮球场的内空尺寸放大原子核,这个核就是一个15米直径的球。

不同的原子有不同的核子结构,最小的原子核只有1个质子,原子量为1;最大的原子核有118个质子,179个中子,原子量达到297。我们不去管它,只按照一般的说法,原子的数量级在10^-10m尺度,原子核的数量级在10^-15m尺度,来衡量这个原子有多大。

这样,如果原子核放大到直径15米,这样原子核放大倍数为1.5亿亿倍。那么将原子直径增加同等倍数,这个原子直径就有1500公里。用现实中的物体比较,这个原子核就差不多有一幢别墅那么大,而原子就要占据一个100万平方公里的范围,而中国总面积才960万平方公里。

这个原子就相当一个小星球,差不多有鸟神星那么大,鸟行星是太阳系第三大矮行星。而这个星球般大的原子,总质量的99.87却在别墅般大的原子核上,体积却只有整个原子的几千亿分之一,占据了巨大空间的电子质量几乎可以忽略不计。

那么原子是虚空的吗?

看起来的确是这样,实际上并非如此。早些时期,人们认为的原子形态是行星模型,就是一个个电子围绕着原子核在不同能级上运动,就像一颗颗行星围绕着太阳旋转,所谓虚空就是这么来的。

后来量子力学的发展,粒子运动的不确定性原理认为,人们无法确定粒子运动的位置和动量,因此电子随机地在原子核周围运动,随时可能出现在任何位置,这样就形成了电子云模型。可以理解为,原子的电子外壳实际上并非一个乒乓球样的外壳,而是充实在每一个位置的点。

别看这占据质量极少的电子外壳,却牢固地包裹保护着原子核,要打破这个坚硬的外壳,接触到内部的核,一般的常力是无法做到的。就如题目所说,即便这个原子变成鸟神星这么大,用挖掘机、枪炮、原子弹也无法撼动其表面半分,更别说拿把锄头,或提着一个工具箱去挖、凿、刮原子核了。即便能刮动外围表土,你有办法挖到鸟神星的核心吗?

多大的力才能打破原子的电子外壳呢?

在地球上,组成物质的原子和分子之间是有很大间隙的,因此物质的确是疏松虚空的。任何物质,就连钢铁、金银在高倍电子显微镜下,其结构也是空洞大于实体,因此物质在极大压力下,就会被压缩,密度增大。

但这种增大只是分子、原子之间间隙的缩小,并不会触动原子外壳本身。地球上最大压力在地心,是海平面压力的360万倍,那里的物质在高温高压下成为特殊的流体状,其坚硬和韧性比地球任何地方的物质都大,但原子形态依然没有撼动半分。

压力的单位为Pa,称帕斯卡,简称帕,海平面大气压为101.325kPa(千帕),通俗说法为1个大气压,也可以说1公斤压力,就是每平方厘米承受1公斤的压力。

在木星、土星等大质量行星,核心压力达到几百甚至几千万个,气态氢在这种压力下成为液态,甚至成为金属态,但氢原子的形态依然是完整的。

而人力能够形成的压力有多大呢?挖掘机的压力也就300公斤左右,狙击步枪子弹对目标压力约1000公斤,原子弹爆炸核心压力可达几十万个大气压强。也就是说地球上人为的力是无法打破原子电子外壳的,更别说触动内部的原子核了。

能够撼动原子外壳的白矮星。

宇宙中有一种星球叫白矮星,体积只有地球大小,质量却相当太阳这么大,因此其密度极大,达到10吨/cm^3,这种星球一般是太阳质量8倍以下的恒星,死亡后留下的尸骸。

这种星球为什么密度有这么大呢?就是因为极高的引力压,将物质的原子外层结构破坏了,原子外层电子成为自由电子,被压缩到最靠近原子核的能级,电子之间的距离被压缩靠近了。但白矮星物质的原子核依然没有脱离电子的保护,只是荡漾在电子的海洋中。

这个压力有多大呢?研究表明白矮星表面引力压力达到地球的4.5亿~10亿倍,表面重力达到地球表面的18万倍以上。这样巨大的压力虽然把原子外层电子压得紧致了,电子与原子核之间的空间变小了,但依然无法触及到原子核。

只有当白矮星通过吸积达到钱德拉塞卡极限,也就是1.44个太阳质量以上,白矮星就会坍缩成一个中子星。

量子简并压是支撑白矮星、中子星的力量。

何谓量子简并压?量子力学把基本粒子分为玻色子和费米子,电子、质子、中子都属于费米子。费米子粒子遵循泡利不相容原理,就是费米子组成的系统中,不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态。通俗点说就是当它们在一起时,就会像小孩子们玩游戏一你推我搡,相互不让靠近,只有在极大压力下,才会压垮这种排斥力。

白矮星就是依靠电子与电子之间的相互排斥力,支撑着巨大的重力压力,维持着星球的物质形态。这种支撑压叫电子简并压。当引力压力进一步加大,电子简并压无法支撑这种压力时,电子就被压到了原子核里。

由于电子带负电,原子核的质子带正电,它们碰到一起就会中和变成中子。这时,中子与中子之间相互排斥的压力支撑着物质保持某种形态,这种支撑压就叫中子简并压,这种全部由中子组成的物质就叫中子简并态物质,有这种物质组成的星球就叫中子星。

中子星体积只有10公里左右直径,质量却达到太阳的1.44倍以上,因此其密度高达10亿吨/cm^3,表面压力达到10^18个大气压强,也就是每平方厘米1000万亿吨。

宇宙中顶级极限压力就是黑洞。

当中子星通过吞噬恒星或星际物质,达到奥本海默极限,也就是中子星质量达到太阳3倍以上,中子简并压就无力支撑自身巨大引力压力了,所有物质都无限坍缩到中心那个无限小的奇点上,中子、夸克都破碎化为乌有,可见物质再也不存在,只剩下质量、电荷、角动量三个物理量,这就是黑洞。

由此可见,要破坏原子外壳,改变原子核结构,依靠蛮力是做不到的,需要的力量太大了。但聪明的科学家们并不需要蛮力解剖原子,而是通过高温、低温、碰撞等方式,深入到原子核内部去了解物质深层次本质,如可控核聚变、波色~爱因斯坦凝聚态、大型强子对撞机等方式,获得了许多基本粒子的信息,从而让人类文明走向新的高度。

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微观世界和宏观世界差异很大,就比如原子,现代的观点看来,原子并非实心小球(因此题目所言的把原子放大,之后再拿工具去刮原子壁是不可行的)。

如果这道问题拿去问20世纪前的物理学家,他们给出的答案可能就是肯定的:你会刮下一些原子粉末甚至还会有一些电子下来。因为那时候物理学家建立的原子模型分别是“道尔顿的实心小球模型”和“汤姆逊的枣糕模型”

道尔顿认为原子就是一个不可分割的实心小球;再后来汤姆逊认为原子内部存在电子,而电子是镶嵌在原子表面的。

随着实验技术的不断发展,物理学家对原子的认知水平也不断的上升,最后就出现了由卢瑟福提出原子行星模型,认为原子内部大部分是空的,中心存在原子核,周围环绕着电子。按照这样的观点,那就不存在什么原子壁了,你用勺子去刮,要么刮到电子,要么碰到原子核。

当然了,现在的观点是基于量子力学得出的电子云模型。如果非要定义一个原子壁,那只能是电子云来充当电子壁了,而所谓电子云,其实就是电子的存在变成了概率分布,只能说那个位置发现电子的概率是多少。

说到底,原子内部的电子、中子、质子,甚至于组成中子、质子的夸克。。这些究竟是什么模样呢?没人知道。

期待您的点评和关注哦!

由于我们生活在宏观世界,而宏观世界的一切都是确定的,可以度量的,这种根深蒂固的思想观念常常让我们陷入迷茫,尤其是面对诡异的微观世界,那里的一切与宏观世界大相径庭,虽然如今我们知道这点,但很难真的接受,同时在思考微观世界的情况时不由自主地会用宏观世界的眼光去思考!

而问题中的这种疑问就是这种情况,宏观世界里我们很容易做到用一样工具刮出粉末状的东西,比如说刮墙壁。于是我们就会套用宏观实际的理念用于微观世界:如果用一种工具刮原子,会不会也刮出粉末状的东西?

如果这个问题放在20世纪以前,人们认为或许真的能刮出粉末状的东西,因为当然科学界普遍认为原子是实心的,应该能刮出一些东西来!

不过随着量子力学的发展,如今我们知道了原子的结构,那里几乎都是真空,如果原子有足球场那么大,原子核只有一个豆子那么大,而电子更小了,根本看不见,其他地方都是虚空!而如果原子有公交车那么大,原子核还没有芝麻大,电子更看不出来了!

而且,电子的位置不是固定的,也不是像宏观的地球那样围绕着太阳旋转,电子是非常随机地出现在原子核周围,以概率方式存在某个地方,俗称“电子云”!

即使真的用某中工具去刮,刮掉的也只能是电子,而且几率很低,毕竟想要在足球场大的范围内刮掉一个几乎看不见的东西,实在太难了!

事实上,当我们用“刮”这个字描述微观世界时,就注定了我们的出发点就是错误的。原子核和电子是一个整体,一起存在的,如果某个电子被“刮”掉了,原子核也会吸引其他的电子,除非温度非常高,原子核和电子都处于一种游离状态,成为离子!

这说明什么?给原子升温就是一种“刮”的方式,而升温的方式就是注入能量,能量可以“刮”掉电子,而不是用实物去刮!

一个人对上帝说:主啊,请帮我把原子放大到公交车那么大吧,我想刮点原子壁上的东西回去做药引。

上帝说:好吧,虽然这不是我的专业,但谁叫我是无所不能的万能者呢?不过我只能帮你放大,刮不刮得到就不知道了。

这人说:理解,理解,谢谢,谢谢。

上帝双手合十,食指竖起,喝一声:太上老君急急如律令,疾!然后说:这事儿成了!

这人一看,周围空空荡荡,什么也没有,急了:原子呢?

上帝说:都说了不是我专业,我只是放大了一个原子,其它什么都不知道。然后就隐然不见了。

这人趴在地上找啊找,找了半天,什么都没找到,正垂头丧气要走的时候,一个声音欢快地传来:嗨,听说您在找我?

这人说:我在找原子啊。

声音说:我就是原子啊。

这人问:您在哪儿啊?

声音说:您把手张开,掌心向上。

这人照办了,声音说:好了,我现在在您手上了。

这人瞅了手掌半天,还是什么都没看到,就说:我还是看不到您啊。

声音说:我在您智慧线和命运线相交的地方。

这人就在掌上找,终于在差不多是掌心的地方,发现了一个小小的尘粒,眼睛焦距稍一离开,就又看不见了,非得再重新聚焦才行。

这人说:哎呀,上帝他老人家骗我,我请他把您放大到公交车大小的。

尘粒说:他没有骗你,我确实有公交车那么大。

这人说:那您就是在睁眼说瞎话了。

尘粒说:您看到的我只是原子的心脏——原子核,只有原子直径的十万分之一。上帝应您的请求把我放大到一辆10米长的公交车大小,原子核的直径也只有0.1毫米。在心脏的周围,还有电子随机出现在10米范围内的任何地方,只是它还要小得小得多,您就是再请求上帝把原子核也放大到公交车大小,也没办法看清楚电子呢。

这人说:懂了,我要怎样才能刮点您原子壁的材料回去做药引呢?
尘粒说:我的壁就是电子啊,只是按照量子力学的观点,它是随机出现在公交车范围内的任何一个地方,您要刮下它可不容易,它跑得很快呢。

这人问:有多快啊?我可是田径高手,吃过药,尿过检的。

尘粒说:如果按经典理论来说,它的速度比光速还快。

这人垂头丧气地坐到了地下:那怎么办啊?

尘粒说:嗯,按量子理论的观点,电子是同时出现在周围所有可能的地方的,您随便刮一下就有可能把它刮走了。

这人大喜,说:太好了。就拿了一把勺子出来要刮。

尘粒说:且慢,按照约翰·惠勒的说法,整个宇宙中就只有一个电子,它在时间中一会儿向前走,一会儿往后退,出现在宇宙中任何地方,让人们误以为宇宙中有无数的电子。您要把它刮走了,宇宙怎么办啊?

这人说:可我治病要它做药引啊。

尘粒说:您这病没治了,拜拜……

答案是有可能弄走一两个电子,更有可能什么都刮不到。

原子很空,电子很小

原子很小,我们看不见。原子半径一般在0.1nm以内,也就是10^-10m , 其中原子核的半径大约是10^-15m,电子更小,它的尺寸大约是10^-22m。如果你将原子一直放大,放到标准足球场那么大,就会发现原子核就是足球场中心的一粒绿豆那么大,然后就什么都看不见了。

你肯定会说了,不对呀!不是还有电子吗?初中课本就介绍了,电子是围绕着原子核运转的。

确实是有电子,但电子实在是太小,即使是把原子放大到足球场那么大,你还是看不见电子,它们的位置大约是在足球场看台的位置,比灰尘小多了。

体育场太大,咱们缩小一点,把原子缩到公交车大小,原子核比圆珠笔笔尖的小滚珠还要小,电子更是看不见。也就是说,这个公交车大小的原子几乎是空的。

(原子很“空”)

一个原子中电子的数量大致是固定的,通常原子核中有几个质子,它的外围就有差不多同样数量的电子。如果电子比质子多,这个原子就带负电,叫负离子;如果原子被夺走了一两个电子,它就带正电,叫正离子。

神出鬼没的电子

电子围绕着原子核运行,它的速度很快,能接近光速,又因为原子的直径实在是太小,大约是10?1?m,所以在原子的尺度我们看电子,电子只是随机出现在它轨道的任何位置,就像是云一样。于是科学家称之为电子云。电子云并不是表示电子很多,而是它出现的位置像云中的小水滴那样捉摸不定。

(电子云。请注意,这只是示意图,真正的电子你看不见)

一个公交车那么大的原子,它看起来是空无一物的,它的电子就像是在公交车周围神出鬼没快速闪现的微尘,原子没有硬壳,所以你什么都看不见。看不见怎么刮?

用什么工具刮?

既然我们将原子放大到公交车大小,我们用的工具自然也变得十分巨大,因为工具也是由许许多多原子组成的,这些原子也是有原子核与核外电子。在那个公交车大小的原子面前,我们的工具可不会是一把精致的小刀,它看起来更像一座高山!最小最小,它也会有一栋大楼那么大。

(想象一下,用旁边的大楼来刮公交车大小的空的东西)

用“蹭”比“刮”更确切些。

当两个原子相互接近时,由于各自外围都有带负电的电子,所以它们会互相排斥。随着原子之间距离的进一步缩短,两个原子内层闭合壳层(电子将轨道会部占满)会强烈排斥,原子不能再继续接近。

(原子间作用力)

在蹭的过程中,如果工具的原子有与“公交车原子”发生氧化反应,产生化学键,同时工具的原子得到电子的能力更强一些,是有可能把“公交车原子”最外层的电子拿走一两个的。否则是一个电子都拿不走。

最后总结:

原子并不是我们平时画的图那样呈球形,原子很空,原子核和电子都极小,电子围绕在原子核周围高速运动,你极难捕捉到电子。

(真的原子,绝不是这样)

电子的运动轨迹通常表现为电子云,尽管看起来很松散,但它与原子核之间的力是很强大的,并不容易被“刮下来”。

如果我们将原子放大到公交车大小,那么我们用来“刮”原子的工具势必比公交车大许多,所以用“蹭”更合适。

通过氧化反应可以从金属元素原子的最外层轨道拿走一两个电子,但是要想拿走氧、氟、氯等原子或惰性气体元素最外层的电子则几乎是件不可能完成的任务。

刮下来的叫原子灰,市面上早就有卖了啊!填缝找平很好用哦

应该是把原子核放大到公交车那么大。如果原子放到公交车那么大算5米,原子核大概还只有0.05毫米,人眼睛很难看见。因为原子核直径是原子约10E-15米,而原子的直径是10E-10米。

原子核是密度非常大的物质,也非常的坚硬,人类用普通的物质去刮原子核是根本刮不下任何东西的,也不可能刮下任何东西,除非用高能粒子对撞机。

一是因为普通物质的表面是电子,人的力量是根本没有方法将电子接触到原子核的,电子的简并压是需要巨大的星球的力量才可以,如中子星内部的压力。

二是原子核是质子和中子,质子和中子内部是3个夸克,夸克有夸克禁闭的力量,夸克无法被单独分离,假如能刮下来物质,这个东西就是夸克。

我大概懂你的意思。原子不是像乒乓球一样,只是它在显微镜下的形状类似一个球体。原子由原子核和绕核运动的电子组成,把原子放的跟公交车一样大刮它最外壁,刮下来的应该是最外层电子,就像这张图,除了原子核,其他的k、L、M、N层都是绕核转圈圈的电子,你一层一层刮下去得到的都是电子,直到挂到了原子核。原子核又由质子和中子组成,刮一勺可能是质子又可能是中子还可能是质子混中子。如果你继续放大刮,质子和中子又由夸克组成,这是更小的一种粒子,但比夸克还小的粒子人类暂时没有发现了。所以,简而言之,你无限刮下去可能会一直得到一堆不知名的小粒子

在100多年前,人们对微观领域的认知还是处于比较“原始”的状态,即使当时的很多物理学家,普遍认为原子的结构是实心小球或者“枣糕”模型,只要有合适的工具,是可以从原子核上刮下来一些原子粉末甚至电子来的。但是,随着科学技术的发展特别是物理领域理论体系的完善,人们对微观世界的认知发生了翻天覆地的变化,原子的结构根本就不是什么实心小球,用工具根本刮不下来什么粉末,就是问题的本身,也不可能将原子核进行放大。那么,如果我们做一个思想实验,真的可以将原子核放大,能否挖到“边角料”呢?

原子是一种物质构成的基本单元,由位于核心处的原子核以及更加微小的核外电子所构成,而原子核中包括带正电的质子、呈电中性的中子(氢1是最简单的原子,原子核中没有中子)。对于包含不同质子数的原子核来说,其大小肯定有所差别,但从通常意义上来把握,原子的整体直径,基本上都在直径为10^(-10)米的级别,而原子核的直径仅有10^(-15)米级别。

一个原子中,电子的数量与原子核中的质子数量基本保持一致,也就是说原子核中有多少个质子,核外电子就会有多少,整体上确保原子保持着电中性的状态。虽然核外电子非常小,但是它们的“活动”区域,与原子核相比要宽广的多,可以说是围绕着“大质量”的核心,在不同的能级轨道上“自由驰骋”,看上去是不是非常类似于行星围绕恒星公转?这也是为什么有人将原子结构比喻成行星模型的原因。

但是,微观世界与宏观世界的差异,随着量子力学的发展,显得越来越明显。在量子力学理论中,将微观粒子的运动规律归纳为“不确定性”,即人们无法精准地监测或者预测微观粒子运动的动量,也无法精准定位粒子的空间位置。对于原子核外的电子来说,如果应用量子力学来阐释其运动规律,那就是可能会出现在核外电子空间的任意一个位置,据此科学家们提出了原子“电子云”模型。

因此,我们不能用一个现实生活中的球体,将球体的外壳来等同于原子核外的电子壳层,这个电子壳层即是“虚空”的,同时电子也是可以随时来填充到每个位置点的状态。一个原子拥有电子云,并不是说明其外围的电子数量非常多,而代表的是电子在每个位置出现的概率都是一样的,在每一个时刻都是捉摸不定的。

在思想实验中,我们先来看看将一个原子核放大到篮球球场那么大,它到底放大了多少倍?如果我们将篮球场的长、宽都确定为15米的级别,这个数值就是放大后的原子核直径尺寸,原子核因此放大了1.5亿亿倍,整个原子的尺寸也会相应扩大这么多倍,其覆盖面积将达到上百万平方公里,不过在这么大的区域范围内,原子核也仅有篮球场那么大,其质量一样也是占据到了整个原子总质量的99%以上。

需要说明的是,在微观层面,维系原子稳定存在的作用力,主要集中在强核力和弱核力,而且这个力是非常巨大的,要冲破原子核,需要强大的能量输入,比如用高能量的粒子加速器轰击原子核,就可以击碎原子核,破坏其内部的强核力和弱核力作用,从而实现将质子与中子分离的目的。而如果将原子核整体放大到篮球场这么样的级别,那么在宏观尺度,原子之间的强核力与弱核力就会失效,从而表现出作用力效果非常小的万有引力与电磁力作用,所引发的后果也将是原子核的瞬间崩塌,你还没来得及拿工具去挖凿,原子核就不存在了。

当然,以现有的技术,是无法使原子核放大到那么大的,因为要想破坏原子核内部强核力与弱核力,所需要的能量非常之巨大,而且原子的密度会大幅度下降,“膨胀”后的原子实质上也不是原子了。

那么,假如我们完全抛开原子核膨胀的可能性和可行性,在思想实验中就将其密度不变、核力不变的情况,硬生生、毫无道理地将其等比例放大到篮球场这么大,我们能不能拿工具进行挖凿呢?当然也不行。

因为无论你拿什么工具来刮,工具本身也是由无数原子所构成,当工具中的原子与要刮的原子相靠近,原子核之外的电子云,就会发生同性电荷的相互排斥现象,距离越近,这种排斥力就越强,达到一定的接近程度后,原子就不能再互相靠近了,除非外部给予极大的压力,比如达到白矮星内部的压力,就可以实现将原子核外的电子壳层“打破”;达到中子星内部的压力,才可以将核外电子压进原子核,实现原子核的相互靠近,这个级别的压力,即每平方厘米上千亿吨,才能真正触碰到原子核,显然这种力道,绝非人力所能及。

综上,应用人力的方式,想要从原子核中刮点边角料,或者用蛮力获取原子中的电子(化学反应除外),都是极不现实的,所需要的能量非常大。当然,应用高温、高压、强力碰撞等方式,比如核聚变、粒子加速器等方式,我们还是可以深入了解到原子核内部的构造的,只不过这种方式,与“刮凿挖”原子核获取“边角料”是两码事。

把原子放大到公交车那么大,拿工具去刮原子壁,能刮出粉末一样的东西来吗,粉末是什么?

这个话题比较有趣,因为要分析这个话题的话我们必须先对原子的模型来一个比较系统的了解,才能分析刮下来的是什么!

上图是人类对微观世界第一关:原子的认识过程;

一、十九世纪初英国科学家道尔顿提出了原子的模型,它认为原子是物质不可分割的坚固实体的实心小球!

假如认可您认可道尔顿的原子模型的话,那么从这个不可分割的实心小球上刮下来的该种物质的部分原子成分!

二、从汤姆生模型到卢瑟福以及波尔的模型,除了对电子的轨道描述和原子核描述的差别外,表层是电子这个并没有多大差别,从这几个模型开始,如果要拿工具去刮这个模型的话,那应该能刮下不少电子!

三、但事实上现代原子模型是量子力学模型,即电子云模型,电子是根据物质原子的不同而在不同的轨道上随机出现,以一种云模式概率形式出现!当然即使能刮下来的那肯定是电子没错!但电子数和原子核中的质子数是电荷相反、数量一一对应的,刮掉一个电子后,原子核即开始带正电,如果您全部刮完,你刮下来的就成为自由电子了,会被其他活性离子捕获!而这个原子核也将成为捕获其他电子的工具!

不过出于不确定性原理,想要从上面刮下电子可不是一件容易的事,但也有一个暴力的办法,即对原子加热即可,使其达到等离子状态,此时电子将游离成为自由电子,就可以随便刮了!

甚至你可以用磁场将负电的电子和正电的离子分离,这就是真正意义上的刮下原子物质了哦!

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