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奇怪的原子 我们在上初中的时候，学到的原子模型其实和真实的原子模型是有出入的。具体来说是这样的，我们在上学的时候，看到的原子模型的图大概是下面这个样子。  当然，还有其他的版本，比如下面这张这样的。  而实际上，真实的原子模型更类似于下面这样。  这两张图其实都出现在物理学史上，第一张是卢瑟福提出来的原子模型，第二张是波尔提出来的原子模型。但仅仅是很像，实际上有一种很大的差距，那就是原子核和电子的大小。 事实上，原子内部99.99%以上都是空的，它是名副其实的空心。（不过，还是要补充一点，可能很多人认为原子是有个外壳包裹住的，实际上并不是，它不是球形的，也没有外壳。） 可能你要说了，凭什么我们可以确定原子核和电子只有那么小？ 这其实是来自于卢瑟福的一个实验，在这个实验中，卢瑟福利用α粒子去轰击金箔。结果，只有极其少量的α粒子发生了反弹或者角度偏折，绝大部分的α粒子都直接传过去。  播放GIF这个实验只要大量做，我们就能大概确定原子核的大小。其实你可以想象一下，在桌上画个大圈，里面再画一个小圈，如果你想知道两者的面积比，只需要抓一把米粒，然后随机的往上撒，多做许多次，然后数一数每次掉进小圈的米粒数，而撒的米粒总数。两者的比值其实就是两者面积的比值。所以，卢瑟福的这个实验是可以验证得到原子核相对于原子的大小的。 那可能你要问了，为什么原子会是几乎“空心”？ 当然，其实更绝的问题应该是，明明原子都是空心，为什么我们可以坐在椅子上，而不是掉下去？从微观上看，这问题其实是：是什么使得“空心”又没有“外壳”的原子不会彼此穿透？ 原子为什么是空心的？ 其实在科学界，有很多理论，但还有一些被我们称为公理。公理和理论的不同之处就在于，公理是最底层的逻辑，也就是没办法再往下问为什么的结论。 举个例子，初中学的平面几何其实是建立在5条公理之上的，然后利用逻辑和数学推导出整套平面几何的理论。如果你要问欧几里得为什么是这样的五条公理，他其实也没办法回答你。因为它就是最基础的底层逻辑。  而原子模型为什么是这样，也是这个道理。事实上，上世纪，科学家利用各种办法去获取微观世界的物理学现象，就是得到了这样的一个现象，就如同上文我们说到的卢瑟福的实验，实验得到的结果就是这样，我们只能被动接受。而客观存在的原子模型就是空心，那你要问为什么是空心的，我们最直白的回答其实就是实验得到的结果就是这样。所以，与其问为什么原子是空心的，倒不如问为什么原子不会彼此穿透？这其实也是你为什么此刻可以拿着手机，可以坐在椅子上而不会掉下去的原因。 原子为什么不会彼此穿透？ 上世纪，科学家发现，宇宙中存在着四种作用力，分别是强相互作用，弱相互作用，电磁力和引力。其中强相互作用和弱相互作用确保了原子核结构的存在，所以我们有时候也管它们叫做强核力和弱核力。引力也比较好理解，就是物体之间的吸引力，目前主流的科学看法是爱因斯坦的广义相对论，他认为这种力实际上是时空弯曲造成的。在我们日常生活中，除了引力之外，剩余的作用其实都是电磁力，常见的摩擦力或者支持力其实都属于电磁力。  原子和原子之间不会彼此穿透的根本原因其实也是来自于电磁力。我们要知道的是原子核外都是有电子的，它们会确保原子之间不会彼此穿透，这里其实还涉及到泡利不相容原理，意思是说，原子核外的电子需要按照座次好好排队（这里其实指的是状态），而不能乱来，所以，这无形中也形成了一种类似于“力”的作用的量子效应。  除了泡利不相容原理，这里还涉及到了能量最低原理的问题，其实不知道你有木有想过，电子为什么不会进入到原子核内？ 这是因为，电子如果进入到原子核，就会和原子核内的质子发生反应生成中子，中子的能量其实是大于电子+质子的，我们要知道能量只能自发地从高先低流动的，而不能自发地从低到高。而电子和质子反应生成中子的过程是从低到高，所以需要能量输入，而不能自发进行。基于这几点原因，所以，原子没有办法彼此穿透。 |
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