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原子明明是空空的,可为什么构成人体是实实在在的?有何科学解释?

城市与地产

2021/7/23 6:24:06

原子明明是空空的,可为什么构成人体是实实在在的?有何科学解释?
最佳答案:

如果我们观察自己的身体是由什么组成的,在更小、更基本的层面上,我们会发现体内有一个完整的微型宇宙结构。我们的身体由器官组成,而器官又是由细胞组成,细胞含有细胞器,细胞器由分子组成,分子本身是由单个原子链连接在一起。原子存在于极其微小的尺度上,直径只有1埃(1埃等于0.1纳米,1埃等于10的负10次方米),但它们由更小的成分组成:质子、中子和电子。

  • 图注:因为宇宙中束缚态和完全自由的粒子不一样,所以可以想象,质子稳定性比我们通过测量原子和分子的衰变特性所观察到的要差,因为质子与电子和其他复合结构结合在一起。然而,我们在所有实验装置中观察到的所有质子,我们从未见过与质子衰变一致的事件。

我们大家都了解组成每个原子核的质子和中子的微小尺寸为一费米,一费米比埃小100,000倍。而电子则更小,不超过质子或中子大小的1/10000。这是否意味着原子——或者说,所有由原子构成的东西——大部分都是空的?事实上,一点也不。让我们一起看看科学解释。

  • 图注:从宏观尺度到亚原子,基本粒子的大小在确定复合结构的大小方面起着很小的作用。这些构造块是否真正具有基本或点状粒子仍不得而知,但我们确实了解宇宙从宇宙大尺度到微小的亚原子尺度。

如果原子是由连续结构组成的,那么在薄金薄片上发射的所有粒子都将直接通过它。 经常出现硬质后座力,甚至使某些粒子从其原始方向反弹的事实,有助于说明每个原子固有一个硬而致密的核。

根据我们的正常经验,如果您想知道某物有多大,只需进行测量即可。 对于非量子物体,这不是问题,因为测量物体的不同方法都会给您相同的答案。 无论您使用量尺(例如尺子),高清成像还是诸如布朗运动或重力沉降之类的依赖于物理的技术,您都将获得完全相同的解决方案。

但是对于所有最小的物体,例如单个原子,这些技术不再有效。 发现放射性后不久,就首次尝试了探测原子内部的尝试,并且实际上是巧妙的。 通过将放射性物质发射的粒子发射到原子薄板上,欧内斯特·卢瑟福试图确定当您检查原子内部时发生了什么。 他发现的一切震惊了世界。

  • 图注:如果原子是由连续结构组成的,那么在薄金薄片上发射的所有粒子都将直接通过它。经常出现硬反冲,甚至使某些粒子从其原始方向反弹的事实,有助于说明每个原子有一个硬而致密的核。

这些快速移动的粒子被发射到一张非常薄的金箔上,金箔被锤打得非常薄,如果用人手触摸它,它就会散开。当大多数粒子直接穿过时,有一小部分却被偏转了,有些甚至以其原始方向的反方向返回。正如15年后卢瑟福自己所说,

“这是我一生中发生过的最不可思议的事情。简直不可思议,就好像你向一张纸巾发射了一枚15英寸的炮弹,然后弹回来并击中您一样令人难以置信。”

这种用于测量粒子尺寸的技术称为深层非弹性散射,今天用于限制质子和中子内部基本粒子的大小和测量特性。从卢瑟福到大型强子对撞机,一百多年来,这是测量基本粒子尺寸的重要方法。

  • 图注:当将任意两个粒子碰撞在一起时,可以探测碰撞粒子的内部结构。如果其中一个不是基本粒子,而是一个复合粒子,则这些实验可以揭示其内部结构。在这里,设计了一个实验来测量暗物质/核子散射信号。直到今天,深层非弹性散射实验仍在继续使用。

但是,在这些高能条件下,常规原子和原子核被接近光速运动的粒子轰击,这并不是我们日常生活中原子通常会遇到的条件。我们生活在一个低能量的宇宙中,我们体内的原子以及各种粒子之间发生的碰撞的能量,不到大型强子对撞机所能达到的能量的十亿分之一。

在我们的量子宇宙中,我们经常谈论波粒二象性,或者说组成宇宙的基本量子具有波状和粒状性质的想法,这取决于它们所处的条件。如果我们使用更高的能量,我们正在研究的量子将更像粒子,而在更低的能量下,它们更像波。

  • 图注:光电效应详述了光子如何根据单个光子的波长而不是光强度或总能量或任何其他性质来使电子电离。如果一束光以足够的能量进入,它可以与电子相互作用并使其电离,将其踢出材料并产生可检测的信号。

我们可以通过检查光子来说明为什么:与光有关的能量量子。从超高能量的伽玛射线到超低能量的无线电波,光都具有多种能量。但是光的能量与波长密切相关:能量越高,波长越短。

我们知道的最低能量的无线电波长几米甚至几千米,它们的振荡电场和磁场有助于使天线内的电子来回移动,从而产生一个我们可以使用和提取的信号。另一方面,伽马射线的能量是如此之高,以至于即使单个质子也需要数以万米的波长才能穿过。如果粒子的大小大于光的波长,则光可以测量其大小。

  • 图注:用光进行的双缝实验会产生干涉图案,就像对任何你能想象到的波所做的那样。不同颜色的光的特性被理解为,是由于不同颜色的单色光的不同波长造成的。较红的颜色具有更长的波长,更低的能量和更多的扩展干涉图样。较蓝的颜色具有更短的波长,更高的能量,并且干涉图中的最大值和最小值更紧密地聚集在一起。

但是如果粒子比光的波长小,光就不能很好地与粒子相互作用,表现得像一个波。这就是为什么像可见光光子一样,低能光子通过双缝时会产生干涉图样的原因。只要狭缝足够大,光的波长可以穿过它们,你就会在另一边得到一个干涉图样,显示出这种类似波的行为。

即使一次发送一次光子也是如此,这表明在不同的光子之间并没有发生这种波状性质,但是每个单独的光子都在以某种方式干扰自身。

即使用电子代替光子,这仍然是正确的,因为即使是大质量的粒子在低能量条件下也能像波一样运动。即使通过双狭缝一次发射一个低能电子,也会产生这种干涉图样,显示出它们的类波行为。

  • 图注:我们大多数人将原子视为由单个电子绕轨道运动的原子核的集合。尽管这对于某些目的可能是有用的可视化,但对于在任何给定时间理解空间中电子的位置或物理范围,这是灾难性的不足。

当我们描绘一个原子时,我们大多数人本能地恢复到我们都学到的第一个模型:点状电子绕着一个小而密集的核运行。原子的这种“行星模型”首先是由于卢瑟福(Rutherford)提出的,后来由尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)和阿诺德·索默费尔德(Arnold Sommerfeld)完善,他们认识到需要离散的能级。

但是在上个世纪的大部分时间里,我们已经认识到这些模型太像粒子了,无法描述实际发生的事情。电子确实占据了离散的能级,但不会转化成类似行星的轨道。 取而代之的是,原子中的电子的行为更像云:散布在特定空间体积内的弥散雾。 当您看到原子轨道的图示时,它们基本上是在向您显示单个电子的波状形状。

  • 图注:每个s轨道(红色),每个p轨道(黄色),d轨道(蓝色)和f轨道(绿色)只能包含两个电子:一个自旋向上,一个自旋向下。

如果发送一个高能光子或粒子到其中与电子相互作用,当然,我们可以精确地确定它的位置。但是——这就是量子力学让我们大多数人感到困惑的地方——将高能粒子送入其中的行为从根本上改变了原子内部的情况。它使电子的行为像一个粒子,至少在那一次相互作用的那一刻,它使电子的行为像粒子,而不是波。

但是直到发生这种相互作用之前,电子一直都像波一样起作用。当我们有一个孤立的室温原子,或者一个分子甚至整个人体链接在一起的原子链时,它们的行为就不会像这些具有明确定义的点的单个粒子。取而代之的是,它们的行为就像波,电子实际上位于整个约1埃体积中,而不是位于一个特定的点状位置。

  • 图注:电子在各种量子态下的氢密度图。尽管三个量子数可以解释很多,但必须加上“自旋”来解释周期表和每个原子在轨道上的电子数。

考虑电子的更好方法是像“雾”或“云”,它散布在原子核周围的整个空间中。当两个或多个原子结合在一起成为一个分子时,它们的电子云就会重叠,并且电子在空间中的分布会更加分散。当我们将手按在另一个表面上时,该表面上的电子产生的电磁力会推向我们手中的电子,导致电子云扭曲和变形。

当然,这是违反直觉的,因为我们已经习惯于根据粒子来思考物质的基本成分。但最好将它们视为量子:在高能条件下表现得像粒子,而在低能条件下表现得像波。当我们在正常的地面条件下处理原子时,它们就像波浪一样,单个量子独自占据大量空间。

  • 图注:如果我们捕获一个束缚一个电子的原子核,则每个电子会看到以下10个概率云,其中这10个图对应于电子分别占据1s,2s,2p,3s,3p,3d, 4s,4p,4d和4f轨道。电子永远不会在一个特定的时间位于一个特定的位置,而是以云状或雾状存在,并散布在代表整个原子的整个空间中。

每当我们依靠直觉来理解宇宙时,都会遇到一个大问题:直觉来自经验,而我们自己对宇宙的个人经验完全是经典的。我们的宇宙是由基本现象中的粒子组成,粒子的集合可以以波浪状的方式压缩,稀化和振荡。

但是在原子、光子和单个电子的量子领域中,波行为与粒子行为一样基本,只有实验、测量或相互作用的条件才能确定我们观察到的东西。在非常高的能量下,实验可以揭示出我们非常熟悉的类粒子行为。但在正常情况下,就像我们在自己身体中不断经历的那样,即使是单个电子也会扩散到整个原子或分子上。

综上所述,在低能量的地球上,由原子构成的身体是实实在在的。因为我们被一系列电子云充满,而这些电子云都由控制整个宇宙的量子规则束缚在一起。

小蜗牛大理想

2021/7/31 10:18:10

其他回答(1个)

  • 稻麦巴巴

    2021/7/29 21:21:28

    是否具有可证伪性,是目前公认的科学与迷信的分界线。

    目前对于科学和伪科学(或者宗教),有一条比较有共识的分界线,即理论是否具备可证伪性。科学理论具有明确的标准,并且可进行定量计算,如果观测值不符合某个理论计算得到的结果,该理论就被证伪。所以所有的科学理论都属于一个假设,随时可能被证伪。而伪科学或者宗教理论,缺乏可定量计算的特点,或者无法被证伪。进一步说,对于自然现象的预言,伪科学理论不存在明确的边界。所以没有给你说他是正确或者错误留下余地。这样的理论可以叫做迷信,宗教或者伪科学。

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