與其說原子放大像一個宇宙,不如說像一個太陽系。畢竟大多數有此觀點的人,都是因為覺得原子模型與太陽系模型極其相似。
認為原子放大就像一個太陽系,其實是因為你對原子模型認知還停留在60年前,或者是對初中課本中簡化原子模型的印象太深刻了。
我們不妨來簡單了解一下它們之間的異同之處,看看我們認知中的它們到底長的什麽樣子?
太陽系到底長什麽樣子?
1766年,德國的一位中學數學教師提丟斯(Johannes Titius)提出一個公式,能夠準確的描述太陽系各行星的軌域距離,1772年柏林天文台台長彼得(Johann Bode)將之歸納並公布於眾,被稱為提丟斯-彼得法則。
公式為:L=0.4+0.3×2^n
L:為太陽系各行星到太陽的距離,以天文單位(A.U.)來計算。1A.U.=1.496x10^8千米,簡單理解1個天文單位就是地球到太陽的距離。
n:取值-∞、0,、1、2、3、4、5、6……由內向外分別對應水星、金星、地球……只是3對應的是火星外的小行星帶。
提丟斯-波得法則的驗證結果:
行星 n L 真實距離
水星 -∞ 0.4 0.39 (2^-∞ =0)
金星 0 0.7 0.72 (2^0 =1)
地球 1 1.0 1.00
火星 2 1.6 1.52
小行星帶3 2.8 2.77
木星 4 5.2 5.20
土星 5 10.0 9.54
天王星 6 19.6 19.18
海王星 7 38.8 30.06
冥王星 8(?) 77.2 39.44
可以說除了海王星和冥王星,提丟斯-彼得法則與實際的行星軌域距離還是吻合得很好的。
但就是由於1930年發現的冥王星與該公式偏差很大的緣故,還是有很多人對其持否定態度,但作為幫助我們簡化記憶太陽系行星軌域距離還是很有用的。
提丟斯-波得法則揭示了一個規律,八大行星的間距從裏向外幾乎成倍增長。它們之間的距離變化類似數學上的斐波那契螺旋線。
那原子內的電子執行情況也是這樣的嗎?
原子內到底長什麽樣子?
自從德謨克利特提出「原子論」以後,這個我們曾經認為的宇宙物質最小單位,一直是自然哲學領域的人氣小明星。
大量科學家對它投入了前仆後繼的研究,隨後原子模型經過了一個漫長的發展演變史。
1803年,道爾頓認為原子是一個實心的小球;
1897年,湯姆森發現了電子,認為原子是一個鑲有葡萄乾的蛋糕;
1909年-1913年,盧瑟福透過α粒子散射實驗,發現原子內是空的,並行現了原子核,提出了行星模式的原子;
1913年,玻爾繼承並行展了盧瑟福的原子模型,提出原子執行的能階概念;
1927年-1935年,隨著量子力學的進一步發展,電子雲模式的原子模型得以出現。
但由於量子力學過於復雜,在初中課本中,原子是以盧瑟福和玻爾的模型來介紹的。
這種介紹對於我們學好化學很方便、易記,但也潛意識中加深了我們對原子中電子執行軌跡的錯誤認知,認為它像行星一樣公轉。
這個過於簡化的原子模型,看起來確實就像是行星環繞恒星一樣。但實際上,電子完全以一種我們無法想象的方式在運動。
以上就是電子執行軌域的電子雲圖。紅色的部份是電子出現的地方,黑色的部份是電子從未出現的地方。這和經典的軌域執行完全不一樣,也是「不確定性原理」的必然結果。
電子不是在一個線性軌域上運動,而是在一個類似球面、錐面或其他曲面的內外運動,而不是在節面上運動哦,所以會有上面電子雲圖中明顯的黑色區隔線。
每個電子在自己的能階層上,進行著量子態運動,表現為無處不在,就像一片雲一樣包裹著原子核,因此稱為電子雲。
這裏補充一個知識點:電子是如何跳過節面,或者說不透過節面而出現在節面內外的,這是透過宏觀經典物理規則所解釋不通的。說得玄幻點,電子就像透過四維空間,在內外穿梭一樣,不然它怎麽能做到呢?
這種神龍見首不見尾到處亂竄的電子,還像宇宙中的行星嗎?
而且現在大家都知道,原子核還可以分為質子和中子,質子和中子由更小的誇克組成。這也不太像我們的恒星太陽。
顯然原子內遵循量子力學的運動方式,與太陽系遵循經典力學的運動方式完全不一樣。
就算把原子放大1億倍,還是太小了。
質子的質素大約1.7×10^-27kg,即便放大1億倍,也才1.7×10^-19kg。以元素周期表裏最後一個元素118號元素為例,它的相對原子量為294,放大1億倍質素也才294×1.7×10^-19kg≈5×10^-17kg。
而要達到一顆恒星的最小質素至少是太陽的7%,即2×10^30kg×0.07=1.4×10^29kg。
也就是說至少是一個最重原子的2.8×10^53倍。
即便達到這個倍數,我們再來看最近電子到原子核的距離,放大後是多少?
以最小氫原子半徑的0.037nm為例,即0.037×10^-12km×2.8×10^53≈10^40km,而我們地球到太陽的距離為1.5x10^8km。
所以,我們如果生活在這麽一個最小恒星系,同時又離恒星這個遠的星球上,絕對活不了,而且早就飄走了。