你们是不是有过捏碎鸡蛋的体验?鸡蛋在落地时容易破裂,但仅凭双手去捏却异常坚固。当力量均匀分布时,鸡蛋壳能承受数百公斤的重量,这得益于其独特的外形。只有在力量不均的情况下,人才能将其轻松捏碎。
来个想象力的跳跃!既然鸡蛋由原子组成,我们能不能用类似的方法抓住并挤压一个原子,将其破碎呢?若真能做到,需要用多少力量呢?
知己知彼,才能百战不殆。想必你也想知道怎么去「捏碎」一个原子,那么我们就先来深入了解一下原子的秘密。
我们所见的天上的云朵,踏过的地面上的马匹,都是由原子构成的。古希腊哲人德莫克利特最早提出了原始的原子理论,他认为万物皆由被称为「原子」的微小颗粒组成。到了17世纪,科学家们经过一系列的实验,证实了原子的存在,道尔顿则从科学的角度建立了原子理论,不过他认为原子是不可分割的实体。
然而,原子真的无法被「捏碎」吗?并非如此,因为原子本身也是由更小的粒子构成的。原子由原子核和环绕其的电子组成,而原子核又是由质子和中子构成。
人类对原子结构的探索历经数年。1897年,汤姆逊发现了电子;1912年,卢瑟福发现了原子核,并在1918年确认了质子的存在。由于中子不带电,因此直到1932年,卢瑟福的学生查德威克才将其发现。
这些小小的粒子是如何结合成原子的呢?正负电荷相互吸引,同种电荷相互排斥。质子带正电,中子不带电,电子带负电,它们必须克服库伦斥力才能结合在一起。实际上,自然界存在四种基本力,质子和中子主要依靠强核力结合,这种力的作用范围虽有限,但作用力却比电磁力大170多倍。而电子则依靠电磁力与原子核结合。原子之间也能通过电磁力结合成分子,进而形成世间万物。
因此,要「捏碎」一个原子,就得施加比结合力更大的力量。
那么,如何操纵一个原子呢?
想要「捏碎」一个原子,我们得先控制它,防止它逃脱,就像把原子紧紧握在手中一样。
原子有多小呢?将原子与黄豆相比,就如同将黄豆与地球相比。原子的平均直径大约在0.1纳米左右,例如氢原子的直径约为0.07纳米。以7纳米工艺制造的芯片为例,它在指甲盖大小(一平方厘米左右)的面积上包含了69亿个晶体管。
原子核更是微小,直径在原子的千亿分之一左右,质量却占了原子的99.9%以上。如果把原子比作一个足球场,那么原子核就相当于足球场上的一粒沙。
尽管原子如此微小,科学家们已能通过扫描隧道显微镜在实验室中操纵单个原子,甚至在极低温条件下利用探针进行精确控制。此外,科学家们还开发了光镊技术,通过激光形成光阱来操作纳米至微米级别的粒子。
但仅凭这些方法,我们仍然无法真正地「捏碎」一个原子。
那么,要真正「捏碎」一个原子,需要多少能量呢?
「捏碎」的定义模糊,是将原子分成两半,还是将其分解为更小的粒子?我们假设为后者。
原子的大部分质量集中在原子核,原子核是维持原子稳定的关键。只需破坏原子核,原子就会分解。
考虑到核外电子的存在,想要破坏原子核,我们得先了解电子云模型。通常情况下,电子不会因电磁力而坠入原子核,但在极大的压力下,电子简并压会被击穿,电子就会与质子结合形成中子,中子星就是这样产生的。理论认为,需要1.44倍太阳质量的引力才能引发这一过程。但我们不必真的将电子压入原子核,只需让原子失去所有电子,然后破坏原子核即可。
氢原子是最简单的原子,由一个质子和一个电子组成,要「捏碎」它并不难,只需将其电离,失去电子变成质子。氢原子的电离能约为13.6eV。不过,以铁原子为例可能更具代表性。
铁(主要是最稳定的同位素铁56)是宇宙中最稳定的元素,铁56原子核由20个质子和30个中子组成,既不易裂变也不易聚变。这是为什么呢?因为铁原子核的平均结合能为8.6MeV,是所有元素中最高的。
不同种类的原子由不同数量的质子和中子组成,要分开它们需要结合它们时的能量。铁56原子核的总结和能约为7.71x10的负11次方焦耳,是氢原子电离能的3500多万倍。从理论上讲,要「捏碎」一个铁56原子核,就需要这么多能量。至于铁原子的电离能,则可以忽略不计。
实际上,捏碎一个原子几乎不消耗能量。根据定义,1焦耳能量相当于1牛顿的力作用于物体,使之沿力的方向移动一米所需的能量。将一颗50克的鸡蛋举高2米,它的势能就增加一焦耳。
可见,「捏碎」一个原子很容易,几乎不需额外的能量。真正的挑战是如何稳稳地「抓住」一个原子。
1918年,卢瑟福通过天然放射性元素释放的阿尔法粒子轰击氮核,实现了首次人工核反应。如今的大型强子对撞机能产生TeV级别的能量(1T=10的12次方)。
那么,我们还能将原子「捏」得更碎吗?例如将质子和中子「捏碎」?虽然质子和中子由夸克组成,但由于色禁闭现象,目前尚无技术能将其击碎。至于电子、夸克等基本粒子是否还能继续分解,目前仍无定论。