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一提到原子,很多人想到的是类似于太阳系那样的原子模型,电子像是行星一样在外围,中心有个原子核,而且这个原子核还真的不小。 实际上,原子的真实面貌与大多数人想象中的是完全不一样的。 上世纪初,科学家卢瑟福就开始着手研究原子结构。他用α粒子轰击金箔,结果大多数的α粒子都穿过了金箔,有少数的α粒子发生了较大的偏折,极其小数的α粒子偏转角度超过了90度,有的甚至是直接180度角反弹回来。 那卢瑟福的实验能说明什么呢? 这个实验告诉我们,原子是很空旷的,并且并不存在一层外壳包裹着;除此之外,原子核远比我们想象中的要小得多。如果我们把原子看成像足球场那么大,那么原子核大概也就是一只蚂蚁那么大。那么问题就来了,原子明明是空空如也,为什么原子构成的万物都实实在在? 四大基本相互作用 要搞清楚这个问题,我们就得先来了解一下宇宙中的四大基本相互作用。上世纪,科学家发现,在宇宙存在着四种基本相互作用,分别是强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用。那它们有什么用呢? 我们所处的宇宙是一个物质主导的宇宙,构成物质的基本单位是基本粒子,比如:夸克、电子、中微子等等,这类粒子也被称为费米子。如果把一坨基本粒子放一起,它们是很难构成物质的。这就需要有“粘合剂”,而相互作用起到了粘合剂的作用。不同的相互作用的作用范围不同,强度也不同,起到了不同的“粘合剂”作用。 强相互作用和弱相互作用确保了原子核结构得以形成。电磁相互作用确保了原子结构得以形成;引力相互作用则是物质之间相互吸引的作用力。那么问题来了,四大基本作用是通过什么样的方式实现的呢? 科学家发现,它们依靠的是另外一种实实在在的物质,我们把它们叫做:场。最被人所熟悉的“场”应该就是电磁场了。电磁场可以传递电磁相互作用。 如果“场”是一种物质,那么场应该也有自身的“基本粒子”,我们把这种粒子叫做玻色子。电磁场对应的玻色子就是光子。也就是说,电磁力是依靠传递光子来实现相互作用的。同理,强相互作用是依靠胶子来传递作用的;弱相互作用是依靠W玻色子和Z玻色子来传递作用的。 以上我们说的这套理论被称为粒子物理标准模型,这个模型目前已经统一了电磁相互作用和弱相互作用,部分统一了强相互作用。在这个理论中,科学家还假设了“引力子”是传递引力相互作用的玻色子,只不过”引力子”的假设还存在很多问题。 多说一句,除了这些玻色子之外,还有一种玻色子是赋予粒子质量的,这个玻色子被叫做希格斯玻色子,也被称为上帝粒子。 原子间的相互作用 了解了这些,我们再来看开头的问题:原子明明是空空如也,为什么原子构成的万物都实实在在? 很明显,原子之间的相互作用必然是电磁相互作用,这是因为原子核外是存在着电子的。所以,本质上应该是原子里的电子和其他原子里的电子发生电磁相互作用。 当然,这么说其实并不严谨。这是因为我们还没有说清楚:电子到底是什么状态? 著名的量子力学奠基人海森堡曾经提出一个不确定性原理。这个不确定性原理告诉我们,电子的位置和动量信息是无法同侧测准的,如果你测准了位置信息,就测不准动量信息,测准了动量信息,就无法测准位置信息。那这个理论有什么用呢? 这个理论告诉我们电子在原子核的状态和宏观物体是不同的,它是呈现电子云的形式。具体来说就是,电子出现在原子核外的任意位置,我们只知道它出现在某个位置的概率,但我们无法同时知道它的位置和动量信息。你可以理解成电子无处不在,同时存在于任意位置。 也就是说,原子间的相互作用实际上是原子核外的电子云之间的电磁相互作用,同时它们要满足泡利不相容原理,说白了就是电子需要按着某种规则排排坐,状态不能重叠。这就使得原子即便是空空如也,也不会彼此穿过,原子才能构成物质。