如果一个原子大部分是空的,为什么我们不能把它填满呢?

时间:2022-08-09 10:26:34   作者:
因为在原子中没有空的空间。这是一个相当准确的氦原子的表示。我们有一个原子核(由两个质子和两个中子组成)和一个电子云(在这种情况下由两个电子组成)。

原子

亚原子粒子不像宏观物体那样工作——它们非常小的事实意味着在描述它们的行为时必须考虑量子效应。海森堡测不准原理是量子力学中最基本的定律之一,为了得到这个答案,它意味着亚原子粒子的波动性使得它们位置和动量的不确定性联系在一起,如果我们想精确测量位置,动量就变得不确定,反之亦然。正因为如此,我们不能说一个电子是沿着轨道运行的,正确的图像是如上所示的——我们可以说在一个特定的空间区域有这样那样的概率找到一个电子,但仅此而已。

通常被称为空的空间包含电子云,其中可以包含几十个电子。此外,如果你在空间中模拟单个原子,电子密度会呈指数衰减,这意味着它永远不会达到零。电子距离原子核1米或1米以上的概率很小,但不是零。我们通常定义原子半径的方法是基于它与另一个原子的距离。如果原子靠得太近,它们就会互相排斥,这是因为所有原子都有带负电荷的电子云,而负电荷会互相排斥。对于这样定义的半径,仍然有20%的概率电子在半径之外,所以即使是原子“内部”的电子也太拥挤了,它们会泄漏出去。因此你不能填满一个原子——它们基本上已经填满了边缘。对某些原子来说,你可以添加一个或两个电子来产生阴离子,但额外的电子不会填满不存在的空空间——它们会与已经存在的电子重叠。

20世纪初,当原子的结构被发现时,卢瑟福的实验表明,原子中的正电荷被限制在一个非常小的空间里。这导致每个人和他们的母亲都忽略了带负电荷的电子,认为原子大部分是空的。

在这个著名的实验两年后,玻尔提出了他的原子模型,在这个模型中,电子遵循一个明确的轨道,只允许特定的能量。十多年后,薛定谔发表了最著名的非相对论量子力学公式,给出了一个几乎完全正确和非常精确的原子模型。尽管如此,波尔模型仍然在学校里被广泛地教授,导致了世界各地数百万学生的困惑。这可能是为什么许多人仍然认为电子是在原子内部的空隙中流动的小球,而不是正确地认为是模糊的云。

总而言之,认为原子内部存在真空是一种误解。这颠覆了一个事实,即原子中所有的正电荷和大部分质量都被限制在一个非常小的区域,即原子核。它忽略了重要的一点,原子内部的空间被电子填满了,尽管电子很轻,但它保留了原子的所有负电荷。在科学课上应该强调的是,玻尔模型在概念上是一幅有缺陷的原子内部图像——在量子革命完全洗去它固有的错误观念之前,它是描述氢原子的一个有用的近似,但仅此而已。
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