【科普】在原子核和電子之間的廣闊空間里存在著什麼?是絕對真空嗎?

天空之城 2022/07/04 檢舉 我要評論

原子曾經被認為是世間萬物的基本微粒,但后來人們卻發現,原子是由原子核和電子構成,而在原子核和電子之間還存在著廣闊的空間,具體有多廣闊呢?我們不妨拿宇宙中最簡單的原子——氫原子來舉例說明。

氫原子的原子核其實就是一個質子,其半徑約為0.833 x 10^-15米,當一個氫原子處于基態的時候體積最小,其半徑大約為0.528 x 10^-10米,也就是說,一個處于基態的氫原子的半徑是其原子核的大約63385倍。

這就意味著,假如我們將一個處于基態的氫原子的半徑放大到500米,那麼按同等比例放大之后,其原子核的半徑就有大約0.79厘米,其大小大概相當于一個常見的玻璃彈珠。

當然了,氫原子還有一個電子,盡管科學家們目前還無法準確地測量出電子的半徑,但可以確定的是,電子的半徑的數量級不會超過10^-18米,也就是說,按同等比例放大之后,這個電子的半徑最多也只有0.01毫米,依然渺小得如同一粒灰塵。

在一個半徑500米的球體空間中,只有位于其中心位置的一個小小的「玻璃彈珠」,以及一粒圍繞著這個「玻璃彈珠」運行的「灰塵」,原子內部的空曠程度可想而知。相對于原子核與電子的尺寸來講,原子內部的空間可以說是非常廣闊了,那麼問題就來了,在原子核和電子之間的廣闊空間里存在著什麼呢?

對于這個問題,或許你第一時間就會想到空氣,但稍微想一下,你就會發現這是不可能的。因為空氣本身就是由大量的原子組成的混合物,并且其中大部分的原子還結合成了氣體分子(例如氧氣、氮氣),所以原子內部是不可能存在空氣的。

既然沒有空氣,難道原子核和電子之間的空間是絕對真空嗎?答案當然是否定的。

首先要講的是,在原子核和電子之間的空間里,可能會存在著一些「匆匆而過」的粒子,比如說光子,現代物理學認為,光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子,所以假如一個原子存在于電磁場中,那麼在它的內部空間里,就會存在著光子。

又比如說中微子,雖然這種基本粒子的體積和質量都極小(一般認為中微子的直徑低于10^-20米,質量可以低于電子質量的100萬分之1),但它們在宇宙中的數量卻極多,比如說太陽平均每一秒就會產生大約 1.7 x 10^38 個中微子 ,以至于在地球的表面,中微子的平均通量都可以達到每秒每平方公尺600萬億個。

中微子的體積比原子小得多,數量又如此龐大,所以我們有理由相信,在原子核和電子之間的空間里,會經常出現中微子的身影,由于中微子不會參與強相互作用和電磁相互作用,因此它們在絕大多數情況下都只是在原子內部「路過」。

另一方面來講,有些不穩定的原子在發生衰變的時候,其原子核還會釋放出不同種類的粒子,如α粒子、電子、正電子、中微子、反中微子等等,這些粒子也會短暫地存在于原子核和電子之間的廣闊空間里。

除了「匆匆而過」的粒子之外,在原子核和電子之間的空間里還存在著「希格斯場」(Higgs field)。

「希格斯場」的概念最初由物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)于1960年代提出,他認為宇宙中存在著一種無處不在的量子場,當一個基本粒子與這種量子場發生相互作用時,這個基本粒子就具備了質量。

這種量子場就被稱為「希格斯場」,根據彼得·希格斯的理論,在能量極高的情況下,「希格斯場」就會激發出一種被稱為「希格斯玻色子」的基本粒子。

在2013年的時候,歐洲核子研究組織(CERN)首次發現了「希格斯玻色子」的存在,而這也就意味著,「希格斯場」是真實存在的。既然「希格斯場」在宇宙中「無處不在」,那原子內部的空間里也就必定存在這種量子場了(否則的話,原子核和電子就不會具備質量了)。

值得一提的是,在宇宙中的四種基本力之中,電磁相互作用力、強相互作用力和弱相互作用力都由特定的基本粒子來傳遞,因此一個合理的推測就是,引力可能也是由某種基本粒子來傳遞的,科學家將這種可能存在的基本粒子稱為「引力子」。

假如「引力子」真的存在,那麼它們就會出現在原子核和電子之間的廣闊空間里,畢竟原子核和電子都是具有質量的,而有質量的物質就會產生引力。

搶先看最新趣聞請贊下面專頁

用戶評論