不知道大师有没有捏过鸡蛋,鸡蛋固然失落在地上很轻易碎,可是徒手想要捏碎它倒是一件不轻易的事。当受力平均时,鸡蛋壳可以承受几十公斤以上的力量,这得益于鸡蛋壳的特别外形。只有当受力不平均时,人类才能徒手将鸡蛋捏爆。
脑洞时候到!鸡蛋是由原子组成的,那有没有什么方式可以将一个原子夹住,并将之捏碎呢?若是可以捏碎,又需要多大的力量?
良知知彼,百战不殆。想要捏碎原子,就要先领会它的性质。下面就跟从我一路进入奇奥的原子宿世界。
原子宿世界之旅
天上飘的白云,地下跑的马儿,都是由原子组成的。原子这个概念很早就呈现了,古希腊哲学家德莫克利特最早提出了古代原子论,他认为万物都是被称之为原子的微粒构成的。17宿世纪,颠末浩繁化学家的不竭尝试,人们正式确认了原子的存在,道尔顿从科学角度正式提出了原子理论,不外那时认为原子已不成再分。
原子能不克不及捏碎呢?当然能,因为原子也是由更根基的粒子组成的。原子是由原子核和核外电子组成的,原子核又是由质子和中子组成的。
人类对原子内部布局的摸索花费了数十年的时候。1897年汤姆逊发现了电子,1912年卢瑟福发现了原子核,并在1918年发现了质子,因为中子不带电,到了1932年才由卢瑟福的学生查德威克发现。
这些大巨细小的粒子是怎么连系到一路并组成原子的呢?同种电荷相斥,异种电荷相吸。而质子带正电,中子不带电,电子带负电,要想连系在一路,质子就必需要降服库伦斥力。其其实天然界中有4种根基力,质子、中子是靠强核力连系在一路的。强核力的感化规模很有限,仅限于原子核内,但感化结果却比电磁力大170多倍。电子则是靠电磁力与原子核连系到一路的。此外,原子与原子之间又靠电磁力连系当作为分子,并组成宿世间万物。
既然原子是由必然数目的质子、中子和电子经由过程强核力与电磁力连系在一路的,那么想要将其捏碎,就必需要施加比这更大的力量。
若何把持一个原子?
想要捏碎一个原子,得先节制住它,防止它溜走,形象点说就是得把它紧紧地攥在手里。
可是原子很小,事实有多小呢?原子与黄豆的巨细之比就如同黄豆与地球的巨细之比。原子的平均直径大约在10^-10米这个数目级,也就是0.1纳米的级别摆布,好比氢原子的直径大约为0.07纳米。咱们从数目上来申明,以7纳米工艺制当作的指甲盖巨细(一平方厘米摆布)般的麒麟980芯片就包含了69亿个晶体管。
原子核就更小了,直径在10^-15~10^-14米这个数目级,体积仅为原子体积的千亿分之一,但质量却占了99.9%以上。形象点来说,若是原子半斤八两于一个足球场,那么原子核就半斤八两于足球场中的一粒米。
原子虽小,却并没有难倒科学家。今朝科学家们已经可以或许在尝试室中把持单个原子了,这本家儿要得益于扫描地道显微镜(SEM)这个东西的发现。操纵扫描地道显微镜不仅可以或许不雅察单个原子,在超低温状况下还可以或许操纵探针对单个原子进行切确把持。这对人类研究纳米科技具有主要感化。
(如图所示,操纵SEM对纳米标准下的原子进行把持)
此外,科学家还发现了光镊手艺,操纵激光形当作光阱,可以把持和捕捉纳米至微米级此外粒子,那么拿下原子也不在话下。
原子那么小,用手必定是拿不住的,操纵以上方式可以夹住原子,但并不克不及捏碎原子。
捏碎一个原子需要耗损多大能量?
捏碎是一个很恍惚的概念,事实是碎当作两半,仍是将原子割裂当作一个个细小的粒子?我们这里按后者算。
原子的质量99%以上都集中在原子核,原子核是维持原子不变的底子,我们只需要将原子核捏碎,整个原子就解体了。
想要捏碎原子核,得考虑核外电子的环境。核外电子虽是按分歧能级分层摆列,但不像行星绕恒星那样运转,电子的出没无定不心猿意马,我们用电子云模子来描述这样的场景。电子虽受电磁力的吸引,但凡是并不会失落进原子核,只有在极强的压力感化下,当电子简并压(由泡利不相容道理形当作的抵当力)被击穿时才会使核外电子失落进原子核,并与核内质子形当作中子,中子星就是这样降生的。按照理论,需要1.44倍以上的太阳质量所形当作的引力才能将电子简并压击穿。其实我们并不需要将电子压进原子核,只需要让原子掉去所有电子,然后再捏碎原子核就行了。
(上图为原子布局的电子云模子示意图)
最简单的原子当属氢原子,氢原子由一个质子和一个电子组成,捏碎它是小菜一碟,只需要让氢原子掉去电子酿成质子即可。氢原子的电离能(让原子掉去电子所需要的能量)为13.6eV。这似乎有点糊弄人,我们仍是以铁原子为例吧,它更有代表性。
铁(凡是是指最不变的同位素铁56)是宇宙中最不变的元素,凡是铁原子核由20个质子和30个中子构成,它既不轻易发生裂变,也不轻易发生聚变。为什么会这样呢?因为铁原子核的平均连系能为8.6MeV(兆电子伏特,1eV≈1.6x10^-19 J(焦耳)),是所有元素中最高的。
(如上图所示,铁56的平均连系能最高)
质子和中子靠强力连系在一路形当作原子核,连系能就是它们连系到一路所需要的能量,同样,分隔它们也需要不异的能量。分歧种类的原子由分歧数目的质子和中子组成,是以将总结和能平均到每个核子上,就获得了原子核的平均连系能。平均连系能越大,原子核也就越不变,越不轻易被捏碎。
铁56原子核的总结和能为481.6兆电子伏特,约等于7.71x10^-11焦耳,是氢原子电离能的3500多万倍,理论上想要将一个铁56原子核捏碎就需要这么多能量。至于铁原子的电离能则可以忽略不计,那么捏碎一个铁原子也仅多耗损一点能量。
没错,捏碎一个原子连一焦耳的能量都用不到。一焦耳能量有多大?按照界说,1J=1N·m,半斤八两于用一牛顿(1千克的物体在地球概况所受到的重力大约为9.8牛顿)的力将一个物体沿力的偏向移动一米所需要的能量。将一颗50克的鸡蛋抬高2米,它的势能就增添一焦耳。
结语
由此可见,捏碎一个原子很轻易,耗损不了几多能量。因为原子其实太小了,如何稳稳的捏住一个原子才是问题的关头。
1918年,卢瑟福操纵自然放射性元素所释放的阿尔法粒子从氮核中轰击出了质子,实现了第一次人工核反映。此刻的大型强子对撞机可以发生TeV级别以上的能量(1T=10^12)。
那么还能不克不及捏得更碎一点呢?好比将质子和中子捏碎。固然质子和中子都是由夸克组成的,但因为存在色禁闭现象,今朝还没有手艺手段可以将其击碎。至于电子、夸克等根基粒子还可不成以再分,今朝还不知道。
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