原子的内部空间,似乎空旷无物,然而若从波动或能量的角度观察,则并非空无一物。同样地,透明度也是一个相对的概念,取决于物质对特定频率电磁波的透过能力。

如何理解原子的空旷?

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第一个对原子内部的空旷感到惊奇的科学家叫做卢瑟福。1911年,他进行了一项名为“α粒子散射实验”的科研活动,即将α射线投射到一片薄薄的黄金箔片上。他注意到,尽管大多数α粒子顺利地穿过了金箔,仍有少数α粒子遭遇了强烈的散射,大约有1/8000的α粒子散射角度超过了90°,其中一些甚至达到了150°的大角度散射。

通过这一实验,卢瑟福揭示了原子内部的空旷以及其核心的存在。根据大角度散射的数据,他推算出原子核的直径上限为10的负14次方米,并由此提出了我们在小学课本中所见到的行星模型。

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卢瑟福继续着他的实验,对原子核进行轰击,8年后,他在轰击氮原子核的过程中,偶然间击发出一种更微小的粒子,并测定了其所带的电荷与质量,这便是质子。

这便是我们目前对原子的基本认识,但原子内部究竟有多空旷?

以氢原子为例,如果把原子核放大至1米,那么原子核与电子之间的距离则相当于100公里。确实,这是一个巨大的空间。如果两个原子互相碰撞,我们完全可以认为它们会直接穿越对方。但现实情况显然并非如此。

原子内部虽然空旷,但物质为何会显得如此坚实?

若用经典物理学来解答这个问题,似乎是无解的。但幸运的是,量子力学为我们提供了一个合理的解释。

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首先回答这一问题的是玻尔,他是卢瑟福的弟子,继承和发展了卢瑟福的原子模型,并提出了“能级”概念,认为电子在不同的能级轨道间进行不连续的跃迁,即电子只能在特定的轨道上运动,这增加了两个原子核外电子碰撞的可能性,但依然不够充分。

接下来,海森堡进一步推进了这个问题的研究。海森堡在攻读博士学位时研究的是湍流问题,他面对复杂混乱的湍流现象,凭借一种物理直觉,选择忽略过程,直接得出结论,后来他的方法被数学家证明为正确。

海森堡提出,电子不仅存在于特定的能级,还会同时出现在该能级上的每一个位置,这就是“不确定原理”,这也构成了我们今天所说的“电子云”概念。然而,这样的“电子云”似乎不足以使物质显得坚实。

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此时,天才泡利登场了。他21岁时便领悟了当时鲜有人能理解的相对论,并且喜欢与女性共舞。他在舞池中观察到量子力学的“不相容原理”:如同舞池中的男女,电子在与氢原子核“跳舞”时,不允许其他电子介入,每个氢原子核只能与一个电子配对。因此,在一片“电子云”中,只能有一个电子存在,不容许第二个电子的存在。这样,原本松软的“电子云”变得坚硬,两个原子因此必须保持一定的距离,我们也就不必担心水杯会突然从桌面消失。

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换言之,电子的能级定义了其岗位,不确定性原理令电子无处不在,而不相容性让电子变得坚固,三者结合,形成了我们能够触感的物质实在性。

如何从微观视角理解透明性?

之前提到,电子在特定的能级上移动,不同的原子和电子层有着不同的能级。不同的能级代表着不同的能量。当照射物质的光的能量与能级匹配时,电子会吸收光,这样的物质便显得不透明;反之,若光的能量与能级不匹配,光便会穿透原子,这样的物质便是透明的。

至于什么情况下算是“匹配”,什么情况下算是“不匹配”,这要由量子力学来决定,在此不作详细说明。

光的能量由其频率决定,频率越高,能量越大;频率越低,能量越小。我们日常所说的“透明”通常仅指可见光频率范围。例如,我们说玻璃是透明的,实际上它只是对可见光(波长在400~760nm之间)透明,对红外线则不透明。人体看似不透明,但对短波的X光却是透明的。所以,透明性本质上是一个相对概念。

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大多数金属是不透明的,并且呈现出所谓的金属光泽。这是因为金属原子除了自身的结构电子外,还拥有大量可在原子间自由移动的电子,这也是它们导电的原因。这些自由电子就像一片电子海洋,可以有效地反射光线。

总之,物体的透明与否,是电子与光线相互作用的结果,受到量子力学的制约,与原子的空旷程度无关。光与所有物质的相互作用,要么是反射,要么是吸收,要么是穿透,各自占据一定的比例。

可以说,是量子力学赋予了宏观物质的实在性,给我们带来了五彩斑斓的世界。

深入探索微观世界,你会发现如果没有量子的不确定性,宏观世界的确定性将难以存在。

一个看似粒子状的电子,在一片电子云中随时都可能出现在任何位置,这一点可能难以理解。但如果把这个电子想象成一种波,可能就容易理解了。这也是我们常说的“波粒二象性”。尽管这也许不是物质的最终真相,但目前我们只能通过这种方式来描述它。