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给孩子讲量子力学-第二讲-物质为何能保持稳定

给孩子讲量子力学-第二讲-物质为何能保持稳定

作者: 势从千里奔 | 来源:发表于2018-01-20 07:04 被阅读0次

我们平常见到的很多物体都是稳定的。

椅子、手机、屏幕,在很长一段时间内都不会突然变形、走样或爆炸。

这是为什么呢?

所有的固体、液体和气体都不会突然变大或变小,这种性质,叫做稳定性。

物质实际上是由更小的原子组成的,但原子之间的空隙非常大,大到不可思议。

这就产生了一个问题,如果把水杯放在桌子上,为什么水杯不会穿过桌子掉下去?我们已经知道,水杯和桌子都是由原子构成的,而桌子的原子和原子之间存在很大的空隙,水杯的原子和原子之间也存在很大的空隙。那么,为什么组成水杯的原子不会从组成桌子的原子之间的空隙掉下去?这是一般人平时完全没有思考过的问题。

尽管实际上有很多物体,表面上看好像很密实,中间没有任何空隙,但如果拿显微镜一看,就会发现,其实这些物体内部绝大部分都是空的。而原子就悬空排在那里。但奇怪的是,这些物体仍然保持稳定,不会突然变大或变小。

第一个发现物体内部很空的人是卢瑟福,他想要研究原子内部有什么结构,设计了一个实验,用一种叫做α粒子的东西来往物体内部打。他发现α粒子很容易穿过物体,说明物体内部大部分是空的,但有时,α粒子打进物体内部后,竟然从原路反弹回来。这就说明在物体内部,一定存在着一种特别小、又特别坚硬的东西,也就是所谓的原子核。就这样,卢瑟福弄清楚了原子的结构:内部有一个特别小、带正电,还特别坚硬的原子核,原子核外有一些质量更小、带负电的电子。

回顾前面的问题,为什么由很多原子构成、中间存在很大空隙的物质能保持稳定?

水杯原子之间存在很大的空隙,桌子原子间也存在很大的空隙。但问题是,水杯原子总能撞上桌子原子,因此才不会掉下去。

物质的原子之间空荡到极其夸张的程度。把一个原子核放大到一千万亿倍,这个原子核的直径就会达到1米。如果我们把原子也放大一千万亿倍,原子的直径就有100公里,也就是说,如果把原子核放大到一个人的大小,原子核之间的距离就相当于北京到天津的距离。

这么大的空隙,为什么水杯不能穿越桌子掉下来?

卢瑟福的学生玻尔回答了这个问题。他最早提出氢原子的模型——一个电子绕着一个原子核转。

玻尔是科学家中的肌肉男,他年轻时是非常著名的足球运动员,他还有一个数学家弟弟,曾经代表丹麦国家队拿过奥运会的银牌。兄弟俩都曾效力于哥本哈根大学足球队,这支球队多次获得丹麦全国比赛的冠军。

基于卢瑟福的实验结果,玻尔提出了著名的氢原子模型。

氢原子中间有个原子核,原子核之外还有一个电子。电子只能在一些特定的轨道上运动,无法在其他地方稳定存在。

玻尔的模型没有能够完全回答这个问题,只能算迈出了第一步。

第二个推动问题解决的人是德国物理学家海森堡。他说原子中的电子,并不在一个个独立的轨道上运动,而是像鬼影一样到处移动,换句话说,电子的位置是不确定的,任何时刻都会同时出现在很多地方。只有当我们去看的时候,才能知道电子具体出现在哪里;如果不去看,电子就会同时待在很多地方。

海森堡在思考玻尔模型的时候,觉得如果抛弃轨道的概念,让电子可以到处乱转,并同时出现在多个地方,那原子结构就会变得稳定。

海森堡的理论让相距甚远的原子可以撞到一起,但无法保证它们相撞后能互相弹开,所以,物质稳定性的问题依然没有得到解决。

第三个解决问题的人是海森堡的师兄奥地利物理学家泡利。

泡利嗜好跳舞,从舞会上悟出一种现象:一个男生和一个女生跳舞,通常都是一对一跳的;而如果一个女生跟一个男生跳舞,她很会讨厌另外一个女生也加进来跟这个男生跳舞。

这个平淡无奇的现象启发了注明的泡利不相容原理。这个原理很简单,就是说一个氢原子核周围只能有一个电子,另外一个电子根本进不去。这样一来,两个原子势必要保持一定的距离,而不会碰撞到一起。

这就解释了原子组成的物体不会突然缩小,以及水杯放在桌子上不会突然掉下去的问题。

但是,为什么物质不会向外爆炸呢?其实也很简单。原子核会与电子配对,从而形成原子,就像男生和女生结成舞伴,然后在舞会上跳舞一样。常常有这种情况:一对舞伴中的男生也想跟其他女生跳舞,而一对舞伴中的女生也想和其他男生跳舞。因此,不同的舞伴之间可以相互交换成员。类似的,不同的原子之间也可以互相分享电子和原子核。这种情况下,不同的原子之间会产生一种吸引力,这就是所谓的化学键。

两个氢原子由于化学键的吸引力紧紧地结合在一起,从而形成了一个氢分子。正是由于化学键的吸引力,物质才不会四处飞散,更不会突然爆炸。

总结一下,原子之间存在排斥力,也存在吸引力,所以物质既不会向内塌陷,也不会向外爆炸。

泥土会塌陷是因为泥土重到一定程度,泥土中原子之间的斥力不足以抵抗压力,所以会塌陷。当泥土密度大到一定程度后,也就是当泥土夯实到一定程度的时候,它的分子和原子之间的斥力可以排斥压力,就不会塌陷了。

火药会爆炸是因为火药被点然后发生了化学反应,也就是火药里的不同成分发生了反应。这些化学反应有时会产生斥力,这时候就会发生爆炸。

原子中的电子是一个基本粒子,它是点状的,没有大小,所以不会爆炸;所有基本粒子在物理学中都是数学上纯粹的点,没有大小也没有长宽,因此不会爆炸。

基本粒子没有大小,这一点很难理解,因为它有质量,所以也就是说,它的密度是无限大的。的确,物理学家用量子力学和相对论来解释基本粒子,就得假设它没有大小,在逻辑上是这样的。

当很多原子和分子组合在一起,这团物质被看成一整个对象的时候,它就满足经典物理学,但是经典物理学没法解释物质为什么会保持稳定。

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