原子內99.9999%以上都是空的,假如原子內沒有空間,地球會有多大

在過去的很長一段時間裡,人們都認為原子是構成物質的最小單元,它不可分割,並且是實心的。直到19世紀初,英國物理學家歐內斯特.盧瑟福(Ernest.Rutherford)才使人們徹底地改變了這一認知,他通過著名的“α粒子散射實驗”清楚地告訴了我們,原子其實是空心的。

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在接下來的研究工作中,科學家又進一步發現,原子的內部不但是空的,而且還空得離譜,甚至可以說原子內99.9999%以上都是空的。為了幫助大家瞭解原子內的空曠程度,我們可以拿氫原子來舉例說明。

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氫原子是宇宙中最簡單的原子,原子半徑約為0.037納米(3.7 x 10^-9 釐米),它的原子核只有一個質子,半徑大約為 8.4 x 10^-14 釐米,可以看到,氫原子的半徑大約是其原子核半徑的4.4萬倍。

這是什麼概念呢?這樣講吧,假如把氫原子放大到鳥巢那麼大,那麼它的原子核就是一個半徑大約0.4釐米的小不點,其體積比一隻普通的螞蟻還要小一些。

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除了原子核以外,氫原子還有一個電子。關於電子的大小,由於觀測水平的限制,目前我們還不能得到準確的數據,在相關理論中,電子普遍被認為是一個沒有體積的“點粒子”,而在相關實驗中,科學家得出的結論是,電子的半徑是不大於10^-16釐米的。

因此我們可以認為,電子的體積應該是遠遠小於原子核的,如果把原子核比作螞蟻,那麼電子很可能只有一粒塵埃那麼大。想象一下,在一個鳥巢那麼大的空間裡,除了在它的中心有一隻螞蟻之外,就只有一粒塵埃在這個巨大的空間裡隨機出現了,原子的空曠程度可想而知。

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一個有意思的問題是,地球也是由數量眾多的原子構成,既然原子內99.9999%以上都是空的,假如原子內沒有空間,地球會有多大?

這個問題看上去比較複雜,但實際上我們可以找到一個相對簡單的計算方法。在宇宙中,當一顆恆星耗盡了自己的“燃料”之後,就會在自身引力的作用下向內坍塌,在這個過程中,如果這顆恆星的質量足夠大,其自身的重力就會將其核心的原子全部壓碎,並最終形成一種密度極高的天體——中子星。

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在中子星內,所有的質子、中子和電子都被擠壓在一起(質子和電子一起形成了中子),顯而易見的,這就是我們想要的效果(令原子內沒有空間)。因此我們只需要計算出當地球壓縮成中子星密度時的體積,就可以得到這個問題的答案了。

接下來的事情就很簡單了,根據公式“體積等於質量除以密度”,將地球的質量(5.965 x 10^27)克,以及中子星的密度(這裡取中子星的理論最高密度 2 x 10^15 克/立方厘米)代入公式,經過計算後我們得出,假如去掉地球所有原子內部的空間,地球的體積大約為 2.98 x 10^12 立方厘米。

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這個數字可能還不太直觀,我們再將其換算一下:假如地球在這種狀態下是一個球體,那麼它的半徑僅僅只有大約89米。(注:為了簡單直觀,本文引用的數據僅為近似值)


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