原子大體上是空曠的,要是把原子比作地球的大小,已知地球的直徑約1.2萬千米,原子核的直徑大約是原子直徑的萬分之一,那么類比于地球大小的原子,原子核直徑約1千米。
在19世紀(jì)末,科學(xué)家已經(jīng)普遍認(rèn)同了原子是最小的物質(zhì)組成單位。但劍橋大學(xué)的JJ湯姆孫率先發(fā)現(xiàn)了電子,表明原子是由更小的粒子組成的。他的學(xué)生盧瑟福通過阿爾法粒子散射實(shí)驗(yàn)證明了,原子的正電荷都聚集在一個(gè)體積極小而質(zhì)量很大的核心上,這就是原子核。
原子的大小在10^-10米,也就是1埃,而原子核尺度大約是原子的萬分之一,在10^-15至10^-14米左右。原子中電子的質(zhì)量相比下微乎其微,電子分布在遠(yuǎn)離原子核的空曠空間里。原子中的全部正電荷和99.9%的質(zhì)量都集中在原子核上,而后續(xù)繼續(xù)發(fā)展的核物理學(xué)研究發(fā)現(xiàn),這小小的原子核卻蘊(yùn)含著巨大的能量。
大部分人都知道原子由原子核與核外電子構(gòu)成,而且原子核的質(zhì)量占了整個(gè)原子的大多數(shù),但具體原子核在原子中有多大,和整個(gè)原子比較又如何這確實(shí)不容易想象!
其實(shí)問這樣的問題并沒有什么顯的沒文化這一說,因?yàn)榛仡^看看物理學(xué)史許多科學(xué)家在這個(gè)問題上也是“摸不著頭腦”。
隨后他的學(xué)生進(jìn)一步將其完善形成了現(xiàn)在我們中學(xué)物理所學(xué)的波爾模型!
接下來我們的討論就建立在電子云模型的基礎(chǔ)上!據(jù)現(xiàn)代研究表明原子核的體積極??!直徑只有10^-15m~10^-14m,只占原子體積的幾千億分之一!但是它的質(zhì)量卻不容忽視,它占了99.96%以上原子的質(zhì)量,可以說是個(gè)頭雖小但有干貨呀!
原子雖然是組成元素物質(zhì)的最小單位,但它里面也是非??諘绲?,如果把地球看成一個(gè)原子的話,那么原子核通常也就相當(dāng)于一個(gè)摩天大樓那么大,電子則大約只有棒球那么大(通常表現(xiàn)為電子云狀態(tài))。
物理學(xué)家們通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)原子的大小數(shù)量級(jí)為10^-10(10的-10次方)米,但原子核大小的數(shù)量級(jí)則為10^-15(10的-15次方)米,相差5個(gè)數(shù)量級(jí),不過這個(gè)數(shù)值也并非固定的,不同的元素的原子會(huì)有一定的幅度浮動(dòng),其原子核的浮動(dòng)范圍在10^-14到10^-16米之間,我們都知道我們地球的直徑為12742公里,那么我們?nèi)≈虚g的數(shù)值將其減少五個(gè)數(shù)量級(jí),就成了127.42米,其浮動(dòng)幅度范圍在1274.2米和12.742米之間。
這也就是說,如果把原子體積形容為一個(gè)地球那么大,那么原子核的大小頂多只有直徑一公里左右,小的話僅相當(dāng)于一座五層樓房,而電子的體積大概就在棒球到直徑一米的球體之間。除此之外就是虛無的,由此我們也可以看到,原子的內(nèi)部空間有多么的空曠了。
如上都是體積上面的比較,其實(shí)質(zhì)量上面的比較更科學(xué)一些,通常在一個(gè)原子之中,原子核的質(zhì)量會(huì)占到99.9%,電子的質(zhì)量則只有0.1%左右。那么這樣看起來的話,其實(shí)一個(gè)原子就好像我們的太陽系一樣。
在太陽系中,太陽的質(zhì)量占到了99.86%,其他的可見物質(zhì)只占了0.14%,這幾乎就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的原子質(zhì)量模型,而我們的地球只有太陽的33萬分之一,這還比不上原子核與電子的質(zhì)量對(duì)比,但考慮到太陽系還有其他七大行星以及一些矮行星等,那么質(zhì)量的比例也就近似于原子核與電子的比例了,這樣來看的話,宇宙萬物中的一些現(xiàn)象也有相通之處呀。
對(duì)于原子而言,原子核之外還有電子,原子核要比原子小得多。不同的元素,包含了不同的質(zhì)子、中子和電子,所以它們的大小也是不一樣的。另外,原子的半徑依據(jù)不同的定義,比如玻爾半徑、范德華半徑,也有不同的大小。下面以氫原子為例做個(gè)簡單說明。
氫原子的玻爾半徑約為5.3×10^-11米,即0.053納米。氫原子核(即質(zhì)子)的半徑約為8.8×10^-16米,即0.88飛米。對(duì)比可知,氫原子的玻爾半徑大約是原子核半徑的6萬倍。
假如氫原子大如半徑約為6400公里的地球,那么,原子核的半徑也只有107米,這個(gè)長度相當(dāng)于35層樓的高度。如果在遠(yuǎn)處用肉眼看地球,比如在400公里外的太空中,根本就看不到放大后的原子核。要知道,即便是海拔超過8.8公里的珠穆朗瑪峰在太空中看起來也只是地球上的一塊小疙瘩。
雖然原子核相比原子的尺度要小得多,但由于質(zhì)子和中子的質(zhì)量高達(dá)電子質(zhì)量的1800多倍,所以原子的質(zhì)量幾乎全都集中在原子核上。以氫為例,氫原子核的質(zhì)量占到了氫原子總質(zhì)量的99.95%。
原子由原子核及核外電子組成,原子內(nèi)部空間極其空曠,原子核體積只占原子總體積的千億分之一,但大量的質(zhì)量99%的質(zhì)量集中在了原子核上。
原子核由質(zhì)子與中子構(gòu)成,強(qiáng)核力使它們牢牢的“捆綁”在一起,密度極大,達(dá)到了10^17kg/m^3,這是什么概念呢?
1m^3的空間如果全部用來裝原子核的話,可以裝10^17kg這么多,也就是一百萬億噸,由此可以知道,中子星上的物質(zhì)為啥都那么重了吧。
原子的直徑的數(shù)量級(jí)大約在10^(-10)m,原子核的直徑在10^(-15)m。
地球的直徑是12742千米,簡單的計(jì)算就可以知道,將原子比作地球模樣,那么原子核的大小就像是一個(gè)半徑僅為50米左右的球體。不過由于不同的原子直徑的數(shù)量級(jí)不同,所以,取值也會(huì)有浮動(dòng)。
有的人會(huì)有疑問,原子內(nèi)部如此空曠,為何不擠在一起,卻浪費(fèi)那么大的空間?
因?yàn)楹送怆娮邮琴M(fèi)米子,泡利不相容原理要求,“不可能有兩個(gè)同樣的費(fèi)米子擁有同樣的量子態(tài)”。它們分布在不同的能級(jí)上,隨機(jī)的出現(xiàn)在原子某個(gè)角落里,用電子云模型來描述。
原子是由原子核和繞核運(yùn)動(dòng)的電子構(gòu)成。原子是由中子和帶正電荷的質(zhì)子構(gòu)成。需要注意的是電子是由電子云的形式圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的。見下圖。
氦原子結(jié)構(gòu)示意圖。圖中灰色部分為電子云。質(zhì)子以粉紅色、中子以紫色表示。
質(zhì)子的質(zhì)量為1.6726×10∧?27kg,是電子質(zhì)量的1836倍,中子的質(zhì)量稍微大一點(diǎn),為1.6929×10∧?27kg,電子質(zhì)量的1839倍,原子核的質(zhì)量占原子總質(zhì)量的99.9%。
如果地球是一個(gè)原子,原子核可能只有一座山這么大。實(shí)際上,如果把太陽系比作一個(gè)原子比較合適,太陽就像原子核一樣,占太陽系總質(zhì)量的99.86%……
原子核是原子體積的幾千億分之一,直徑約為1E-14米到1E-15米,原子直徑約為1E-10米,原子核直徑是原子直徑的萬分之一到十萬分之一,原子核到電子的距離是原子核直徑的五千倍到一萬倍以上。
我大家都知道所有的物質(zhì)都是經(jīng)由原子所構(gòu)成,但是我們大家每天所觸摸到的物體卻不是原子,而是原子核與電子層的斥力。
謝謝悟空。題主這個(gè)問法比較有個(gè)性,與眾不同,不過這種問法不太好,為什么呢?因?yàn)榈厍蛱?,我們無法想象地球有多大,所以比較起來沒有一個(gè)感性上的認(rèn)知。
(氫原子電子云)
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