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原子会相互接触吗?

了解原子在宏观和微观层面如何接触。

作者:Paul M. Sutter
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原子解剖图,显示原子核粒子和电子云。来源:ALIOUI MA/Shutterstock

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原子无时无刻不在接触!但要理解这一点,我们首先需要确定“接触”这个词的含义。

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我们对接触的通常理解基于宏观世界。我把杯子放在桌子上——杯子接触着桌子。你把脚伸进水里——你在接触水,等等。在所有这些情况下,一个固体边界或表面(杯子底部、脚趾边缘)接触另一个固体边界或表面(桌子顶部、海洋表面)。但我们的宏观概念在微观层面会失效,而“接触”的困惑就由此而来。


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原子与边界

如果我们能放大到原子尺度,我们会看到一个混乱的景象。原子和分子不断地飞来飞去,互相碰撞,扭曲,旋转,总之是一片混乱。但有一点很快就会显现:原子没有明确的边界。

有原子核,位于中心的质子和中子束,周围是关于电子可能位于何处而形成的概率云。 量子力学理论告诉我们如何计算这些概率,而这些概率的范围覆盖了整个宇宙。然而,几乎每一次我们观察一个原子时,电子都安全地束缚在原子核附近,所以除非我们进行高能对撞机实验,否则我们不必过于担心。

由于原子没有固体表面,从某种意义上说,没有什么可以“接触”,因为从未出现一个边界与另一个边界相遇的情况。但“接触”也传达了一种近距离的相互影响,从这个意义上说,原子无时无刻不在接触。

宏观与微观

原子通过电磁力相互作用,因为原子中的电子和质子带有电荷。严格来说,这种力具有无限的射程,但只有当原子足够接近时,它才会变得显著。有时原子会因为它们之间的电子的排斥性电磁力而相互弹开——在那个短暂的瞬间,很难将它们的相互作用描述为其他任何东西,而不是接触。


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即使相互作用不是短暂的,它仍然算作接触。对于桌子上的那个杯子,如果我们放大到单个原子和分子,我们会看到杯子最外层的电子受到桌子最外层电子的排斥。即使两层电子之间存在间隙(而且几乎总是有),原子也足够接近,能够以一种重要的方式相互影响。事实证明,杯子不会直接穿过桌子,原子间的电磁力足以抵消地球将杯子向下拉的引力。

当我们说两个物体在宏观尺度上接触时,这在微观尺度上正是这个意思。

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核聚变

原子也可以通过其他方式接触,因为电磁力并不总是排斥的。当原子足够接近时,电磁力的一种表现形式,称为范德华力,就会出现,这会导致原子结合在一起。这正是分子形成的方式,而分子内部的原子肯定是在接触的。

最后,即使是原子核内部的原子核也可以接触。由于每个原子核中带正电的质子之间的电磁排斥力极强,这非常难以做到。但再次,量子力学进入了画面。如果两个原子足够接近足够长的时间,那么偶尔,完全随机地,原子核会发现自己相互融合。

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结果就是核聚变,两个独立的原子被一个更大的原子取代。如果原子比铁元素轻,则由此产生的聚变会释放能量。正是通过这个过程,所有恒星,包括我们的太阳,才能维持自身能量。

  • 保罗·M·萨特

    保罗·M·萨特是一位理论宇宙学家、NASA顾问、“Ask a Spaceman”播客主持人,以及美国文化大使。他是《你的宇宙之位》和《如何在太空中死去》的作者。

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