原子內部99.99%都是空的,爲何大部分物體都不透明?
01
世界是由原子構成的
如果有一天,因爲某種特別的原因,人類所有的科學知識都丟失了,只有一句話可以傳遞給後代,那麼如何才能用最少的語言來傳遞最多的信息呢?那麼這句話一定是原子的假設(或者說原子的事實):
這就是我們物理學中的“分子動理論”。
02
原子的大小
原子的大小有多大呢?
我們看一滴水,表面是非常光滑的。
當我們把水滴放到最好的光學顯微鏡下去觀察,大概可以放大2000倍左右,這時我們依舊只能看到光滑的表面——這說明,我們遠遠沒有達到水分子的線度。
再讓我們繼續放大,依然是2000倍,這時的水滴已經向一座大樓那麼大了,此時我們會發現水滴的表面已經不再光滑了,而是像人頭攢動的火車站或者演唱會現場。
爲了看清楚,我們繼續放大250倍——這樣,我們就一共放大了10億倍。
此時,我們已經可以看到明顯的小球了:有兩種類型的小球,一種小一點,一種大一點;大一點的小球的兩側各連接着一個小一點的小球。這種一大兩小的組合我們稱爲水分子。大的小球是氧原子,小的小球是氫原子。
一個原子有多大呢?
原子的半徑一般爲1×10^-10m~2×10^-10m,1×10^-10m我們稱爲1埃,所以一個原子的大小約爲1埃到2埃。
有一個簡單的方法,可以記住原子的大小。蘋果和原子的比例,就像地球和蘋果的比例一樣。
03
原子內部的結構
原子並不是最小的物質粒子,它也是由結構的。
電子的發現
組成原子的一種重要粒子是電子,1897年由英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆生在研究陰極射線時發現。
電子的發現讓人類認識到原子是可分的,至於原子的結構是什麼,還有待研究。
最初湯姆孫提出葡萄乾布丁模型,認爲原子中大部分是帶正電的物質,就像一個布丁,電子就是布丁上點綴的葡萄乾。這個模型最終被德國科學家盧瑟福推翻了。
核式結構
盧瑟福提出了原子的核式結構,被我們沿用至今。
原子的大部分質量是集中在原子中心位置的一個很小的區域內的,這個區域被稱爲原子核。電子就是在繞着原子轉動的。
04
原子核有多大呢?
原子的大小是1埃,原子核又有多大呢?
原子核極小,直徑在10^-15m~10^-14m之間,體積只佔原子體積的幾千億分之一,在這極小的原子核裡卻集中了99.96%以上原子的質量。
原子核的密度極大,核密度約爲10^17kg/m3,即1立方米的體積如裝滿原子核,其質量將達到10^14t,即1百萬億噸!
如果原子有房間那麼大,原子核只有一粒灰塵那麼大!
所以,完全可以這麼說——原子內部是空空蕩蕩的!
原子內部只有0.0000000001%(一千億分之一)是實的,而剩餘99.999999999%是空的!
其實由於原子核也是由質子和中子組成的,而質子和中子之間也有距離,所以,上面的0和9的個數其實應該更大!
05
爲什麼我們可以看到物體?
首先要知道,人眼能夠看到物體,是由於物體發出的或者反射的光進入了眼睛。
那麼,原子內部是空空蕩蕩的,如果單獨拿出一個原子來,是很難“看到”的。因爲光線照到原子的機率就很小,即使反射,方向也不一定是你的眼睛。
同理,單獨一層的原子,幾乎是透明的。
拋開光與原子的作用,拋開光的衍射效應,我們拿最簡單的數據也可以證明我們能夠看到物體的原因。
——我們看到的,都是一大堆原子,也就是重重疊疊在一起的很多個原子。
由於原子很小,那麼隨便一個物體包含的原子個數都是非常大的,比如1杯水的質量是200g,包含的原子個數有多少呢?
200g水分子的個數=200/18×Na=6.6×10^24個,也就是6.6億億億個!非常的多!
我們假設水杯的直徑是8cm,那麼任意直徑上的分子個數大約就有8億個!
所以,從每個角度來看,這杯水都是密不透風的!
因此一束光無論從那個角度照射,都會被水分子干擾;反射後進入我們的眼睛,也就被我們發現了。這種重疊效應,是我們看到物體的重要原因!