原子内有99.9999%以上都是空的,那里存在着什么?是绝对真空吗?

  • 来源:魅力科学君
  • 时间:2023-08-20 14:15:22

在过去的很长一段时间里,人们都认为原子是构成物质的最小微粒,直到19世纪末,人们才开始意识到原子也有内部构造,它们由原子核和电子构成,而随着研究的深入,人们更是惊讶地发现,原子内部其实是很空旷的,可以说原子内有99.9999%以上都是空的。

为了方便理解原子的空旷程度,我们不妨来看一个具体的例子,我们知道,氢原子是结构最简单的原子,它的原子核其实就是一个质子,在它的核外空间中,只有一个电子在围绕着原子核运行。

测量数据表明,一个处于基态的氢原子的半径约为0.528乘以10的负10次方米,而质子的半径为0.833乘以10的负15次方米,简单计算可知,其原子半径是原子核半径的大约63385倍,至于电子的半径,目前暂时没有具体的测量值,但可以确定的是,电子的半径不会超过10的负16次方米。


(资料图)

也就是说,假如我们把一个处于基态的氢原子的半径放大成500米,那么按照同样的比例放大之后,其原子核的半径也仅为大约0.79厘米,这与我们常见的玻璃弹珠差不多,而电子的半径在放大之后,却最多只有1毫米。

据此我们可以清楚地看到原子的内部有多空旷,那么在原子内部的空间里,除了原子核和电子之外,还存在着什么呢?或许有人会认为,那里存在着空气,但实际情况却并非如此,要知道从微观层面来看,空气本身就是一大堆的原子,并且这些原子中的绝大部分还结合成了气体分子,显而易见的是,我们不可能把一个原子塞进另一个原子里面去,所以原子内部是不可能存在空气的。

既然如此,那除了原子核和电子之外,原子内部的空间就是绝对真空吗?答案是否定的,下面我们就来简单了解一下,那里存在着什么。

一、光子

正如我们所知,原子核带正电荷,电子则带负电荷,这两者之间的电磁相互作用是原子维持结构稳定的重要因素,那原子核和电子之间的电磁相互作用是通过什么途径来传递的呢?答案就是光子,根据粒子物理学中的标准模型,光子正是电磁相互作用的“媒介粒子”。

另一方面来讲,当原子中的电子从高能级跃迁到低能级时,也有一个释放光子的过程,因此可以说,在原子内部的空间里是有光子存在的。

二、中微子

中微子是一种极为微小的基本粒子,它们的质量和体积比电子还要小得多,所以引力对中微子可以忽略不计,更重要的是,中微子不会参与电磁相互作用和强相互作用,而只会参与弱相互作用,要知道弱相互作用是发生在原子核内的夸克层面上的,而中微子一头撞上原子核的概率微乎其微,因此在绝大多数的时候,中微子都可以在原子内部的空间中直接穿过。

宇宙中的那些恒星,随时都会产生数量极为庞大的中微子,比如说太阳每秒钟产生的中微子,其数量级就高达10的38次方,以至于地球上每平方厘米的面积,每秒钟通过的中微子数量级可以高达10的10次方,据此我们不难推测出,在原子的内部,经常会出现中微子的“身影”。

三、原子核衰变产生的各种粒子

宇宙万物都会自发地趋向于最稳定的状态,原子核也不例外,所以当一个原子核处于不太稳定的状态时,它就有可能会发生衰变,进而向更稳定的状态转变,在此过程中,原子核就会释放出多种粒子。

比如说当原子核发生α衰变时,会释放出一个由两个中子和两个质子组成的α粒子(也就是氦-4原子核),而当原子核发生β衰变(或正β衰变)时,会释放出电子(或正电子)、同时还会释放出中微子,而这些粒子就会在原子内部的空间中短暂地存在。

四、希格斯场

上世纪60年代,物理学家彼得.希格斯(Peter Higgs)提出理论称,宇宙中有一种无处不在的场,其作用是给所有的基本粒子赋予质量,我们可以简单地将其理解为,这种场就像是一种无形的液体,当基本粒子在其中运动时,就可能会受到它的“阻力”,而这种“阻力”的大小其实就是我们所说的质量。

希格斯提出的这种场就被称为希格斯场,他认为不同的基本粒子与希格斯场的相互作用强度各不相同,因此它们的质量也不同,而有些基本粒子不会与希格斯场相互作用,所以它们的质量(准确地说是静质量)就为零,比如说光子。

2013年,欧洲核子研究组织(CERN)证实了希格斯场是真实存在的。所以显而易见的是,电子是有质量的基本粒子,而构成原子核的中子和质子的夸克,也是有质量的基本粒子,因此在原子内部的空间中,当然也存在着希格斯场。

五、引力子

引力、电磁力以及强、弱相互作用力,并称为宇宙中的四大基本力,在它们之中,有三种基本力的“媒介粒子”已被科学家确定,即电磁力通过光子传递,强相互作用力通过胶子传递,弱相互作用力通过W±玻色子和Z玻色子传递,所以科学家推测,引力也应该是由一种“媒介粒子”来传递的,而这种假想中的粒子就被称为引力子。

据此我们也可以做这样一种推测:原子核和电子都是有质量的,而只要有质量,就可以产生引力,所以原子核和电子之间是有引力的,尽管这种引力微小到可以忽略不计,但它们确实是存在的,因此可以说,如果引力子真的存在,那在原子内部的空间里,也有它们的“身影”。

小结

综上所述,我们可以看到,尽管原子内有99.9999%以上都是空的,但那里并不是绝对真空。就目前的情况来看,我们人类对原子内部的微观世界了解得并不算多,期待在未来日子里,科学家能够发现原子内部更多的秘密。

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