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原子是否可能完美地排列,让一个固体物体穿过另一个固体物体?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2021-01-07 09:06:25

有质量的亚原子粒子(狄拉克费米子像阿尔法粒子)有可能通过非常薄的固体样品,但宏观固体物体不可能“穿过”其他宏观固体物体。

虽然单个原子大部分是由真空构成的,但固体材料中包住带正电荷原子核阵列的“电子海”(聚合概率密度函数)在两种表面接近对方时,强烈地排斥另一种材料中的电子。例如,在人类层面上,当你触摸一个物体时,它会让你感觉它是固体的。

至于亚原子粒子能够穿越薄膜,新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)在1909年证明了这一点。(卢瑟福是诺贝尔奖得主,被认为是现代亚原子物理学之父。)卢瑟福,此时在英国剑桥大学工作(与其他两名科学家的时代,汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登),表明当阿尔法粒子(氦离子+ 2)被用来轰炸很薄金属箔(例如,金箔重创的厚度1.0 e - m,或100纳米),α粒子穿过金箔,有的被反射(背散射)。他们通过在玻璃管的一端放置少量的镭,并在管的另一端安装垂直的金箔来产生阿尔法粒子。

在1908年到1910年间进行的这些实验和其他实验的结果使得卢瑟福提出,原子的结构是基于密集的、带正电的原子核,原子核周围环绕着弥散的电子“云”。因此,当阿尔法粒子撞击原子核时,它可能会被反射或向后散射,就像两个台球相撞一样。但是,当阿尔法粒子错过一个原子核而只遇到电子时,它就可以穿越空间并越过金原子。值得注意的是,这个实验是可行的,因为(1)阿尔法粒子没有电子可以经历来自金箔中的电子的排斥力(它们由裸露的氦核组成;2个质子和2个中子);(2)他们使用的金箔非常薄,因此,一个入射的阿尔法粒子在离开薄膜的远端之前,很有可能只经过几个金核。

在卢瑟福提出他的原子结构模型之前,当时的其他科学家(如卢瑟福的导师J J汤姆逊)提出的理论认为,原子是由分散在带正电荷的介质中的带负电荷的粒子(电子)组成的。这个早期的模型被称为“李子布丁”模型。显然,李子布丁是一种英式甜点(不包括任何真正的李子),由固体基质(板油和一种被称为“糖浆”的糖浆)和散布在各处的葡萄干制成。(见下图来自维基百科)

当我在本科上第一堂量子力学课时,我记得教授把汤姆逊模型解释为像一块巧克力曲奇(对我们美国佬来说,这是一个更容易理解的类比!)

结论:如果金属箔的厚度超过几个原子直径(金原子的直径约为0.3纳米),入射的阿尔法粒子将无法通过,因为它们最终会撞击原子核并被反向散射。

原子是否可能完美地排列,让一个固体物体穿过另一个固体物体
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