原子核很小,围绕的是电子,原子的体积是靠什么支撑出来的呢?

别有洞天33


原子与原子核大小相差很多,有点像我们太阳系,太阳在中间只占那么一小点空间,却有半径一光年的巨大引力场(奥尔特云为边际),而太阳却占有整个太阳系质量的99.86%,所以常常有人把原子与太阳系运行打比,认为这个世界从微观到宏观都是一样的。

原则上,原子核的中心到电子云边缘的距离是原子半径。但问题是,电子可以出现在任意地方,甚至可以距离原子核无限远,所以电子云的边缘没有明确的定义,这使得原子的大小也没有明确的定义,测量单个原子的大小是不可能的。另外,原子所处的状态不同,半径也会变得不同。这就搞不懂了,原子的体积到底是怎么形成的呢?电子没有质量,原子靠什么支撑出来的呢?难道是电子云?无法理解,值得研究。

高显微镜实拍图如下:图三是一群原子,图四是一圈铁原子附着在一群铜原子上






别有洞天33


我认为,是围着原子核高速(很可能是光速旋转)的核外电子,在某种程度(比如目前最先进的探测仪器的最强感知度)上就形成了原子的边界(也就是电子云的外围),从而撑起来原子的体积。还有,我一直认为,原子和太阳系,银河系乃至整个宇宙,都是无限大与无限小的关系。


劍馬書生


这个问题不能简单用行星模型来理解,偏差比较大!较好地理解这个问题需要一定的量子力学基础。但我希望能用简单的语言帮你理解这个问题。

一、原子核太小了

原子核跟原子比相差确实比较大,半径差十万倍左右,体积差约10^15倍,大概是一千万亿倍左右。这么大的体积差距,质量却集中到原子核上。这是早期科学家无论如何都想不到的。直到卢瑟福做实验发现了这个事实,依然令大多数科学家震惊。


二、电子的轨道



其实最困扰科学家的,不是原子体积的问题,而是电子为什么不会掉到核上的问题。无论从传统力学上,还是从传统电磁学上,电子都应该瞬间掉到核上去,但它就是不会掉下去,这是违反科学常识的。

最早帮我们解释这个问题的是波尔,一个跟爱因斯坦齐名的科学家。他给电子的稳定性做了一些假设,他认为原子周围存在固定的轨道,电子只能在这些轨道上运动,不能随意地活动。这些轨道之间切换需要能量的吸收和释放,吸收和释放的能量是光子。不同的轨道之间能量差不同,吸收和释放的光子也不同。波尔帮我们较形象地理解了电子不会掉下去的问题,所以直到现在学校里学量子力学都是先学这一段。但是波尔的解释,有一定的的误导性,比如我们现在还是把电子的活动范围叫轨道。其实电子的运动范围不是一条简单的轨道,而是一定的空间范围,甚至不同轨道电子的活动范围从空间上有很大重叠。

很多的问题,用简单的行星模型,是难以理解的。最重要的是其实电子根本不是一个粒子,它具有波粒二象性,既有粒子的性质也有波的性质。现在的电子轨道模型,就是用波粒二象性规律计算出来的。也就是说,电子的轨道无需人为规定,人家就该那样运动,也不会掉下去。具体的计算太麻烦了,在这里不展示了。



三、原子间作用力

原子间可能有多种作用力,典型的有共价键、离子键、金属键、范德华力等。这些力都是把两个原子系在一起的力。但每一种力都不可能把原子核系在一起。因为原子之间既有引力,又有斥力。距离远,引力大于斥力,距离太近斥力又大于引力。这种力,你可以简单理解为电磁力(虽然实际更复杂一些)。之所以有斥力,因为两个原子的电子相互排斥,原子核也相互排斥,而且距离越近排斥力越大。

稍微理解深一些,就是电子在不受外力的情况下,在理论轨道上运动。一旦两个原子靠近,电子的活动范围就会受到挤压,能量会升高,体系不稳定,急需恢复原状。引力斥力平衡,状态稳定,斥力大于引力,就有恢复平衡的一股力量。



四、原子可压缩

原子受到极大的外力,可以破坏原有的平衡,克服斥力使原子半径变小。比如氢气收到压力可以变成固体,固体再受压力,可以从分子晶体变成金属。据说金属氢具有常温超导的特性。

再比如白矮星自身引力特别大,把原子压缩到很小,小到所有电子都在同一电子层上运动,能量都相同,这个状态叫全简并态。也就形成了密度特别大的白矮星物质,一个足球大小的白矮星物质,相当于地球上一座山的重量。由于这个力太大,有没有任何地球材料能够承受,所以,现在在地球上还不能做实验模拟,只能计算机模拟。

压力再大,就有可能把电子压倒原子核上,电子结合质子变成中子,原子核不复存在,电子也不复存在。所有原子都变成了简单的中子堆积,这就是中子星物质。比中子星更大的压力,有可能把中子压碎变成黑洞物质,这是地球文明还没有完全理解的物质状态。



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