原子空是基于粒子模型的结论,以波或者能量的角度来看,原子并不空。透明也是一个相对概念,重点是物质能透过那种频率的电磁波。
第一个发现原子很空的人叫卢瑟福。1911年,他做了一个“α粒子散射实验”,就是用α射线轰击一片薄金箔。他发现大多数α粒子都能直接穿透金箔,但少数α粒子会发生较大的散射,大约1/8000的α粒子偏转角大于90°,甚至有达到150°的大角散射。
由此,卢瑟福发现了原子很空,且拥有一个核心。根据大角散射的数据,卢瑟福得到了原子核的半径上限为10^-14立方米,于是提出了我们小学课本中的原子行星模型。
然后卢瑟福乐此不疲地继续玩着轰击原子核的实验,8年后,卢瑟福在轰击氮核的过程中,有幸打出了一种更小的粒子,并测定了它的电荷与质量,这就是质子。
这大概就是我们现在对原子基础认知的由来,但原子到底有多空?
以一个最简单的氢原子为例,如果把原子核放大到1米,那原子核与电子之间的距离可达100公里。这确实是相当相当空旷。如果这样两个原子相撞,你完全可以认为它们会相互穿过彼此。然而这明细与事实不符。
如果以经典物理学理论来回答这个问题,可以说是无解的,但量子力学成功的解释了这一切。
第一个回答这个问题的人是玻尔,他也算卢瑟福的学生,继承并发展了卢瑟福的原子模型,提出了“能级”概念,即电子有固定的轨道,电子在不同的能级轨道之间不连续的跃迁。也就是说,电子只能在固定的轨道上奔跑,加大了两个原子的核外电子碰撞的几率,但这还远远不够。
第二个推进问题解决的人是海森堡。海森堡读博士的时候研究的是湍流问题,就像平时看到河水的那种混乱流动现象。面对这种混乱,海森堡有一种天生的物理直觉,他虽然搞不懂中间过程,却敢直接跳过过程得出最终答案。后来居然还被一些数学家证明是正确的。
于是,海森堡宣称电子不只具有能级,还会同时出现在自身能级上的每一个位置,也就是说它无处不在,即“不确定原理”。这就是我们现在的“电子云”概念。但软绵绵的“云”似乎也很难让物质实在起来。
接下来就该第三个人上场了,天才泡利。21岁就搞懂了当时没多少人能弄懂的相对论,喜欢与小姐姐们跳舞。别人跳舞都忙着打望,泡利跳舞却发现了量子力学的“不相容原理”。电子就像小姐姐一样和男生跳舞时,是不允许其他小姐姐插进来的,一个男生只能和一个小姐姐跳舞,一个氢原子核也只能和一个电子配对。所以一片“电子云”里只允许一个电子存在,不允许第二个电子的存在。这样软绵绵的“云”就瞬间变得坚硬了。这样两个原子就势必保持一定的距离,我们也不用担心水杯会从桌子上突然掉下去了。
也就是说,能级让电子有了岗位,不确定让电子无处不在,而不相容让电子变得刚强,综合在一起,才有了我们可触碰的物质实在性。
上面我们说了电子在固定能级上运动,不同的原子不同的电子层有不同的能级,不同的能级代表不一样的能量,当照射它们的光的能量与之匹配,就会被电子吸收,这样的物体就不透明;当光的能量与之不匹配,光就会穿透原子,这样的物体就透明了。
至于什么叫匹配,什么叫不匹配,这得量子力学说了算,就不展开了。
光的能量由频率决定,频率越高能量越高,频率越低能量越低。而我们通常说的“透明”只是针对可见光频率。我们说玻璃透明,实际上玻璃只是对可见光(波长在400~760nm之间)透明,对红外线它就不透明。人体看似不透明,但对短波的X光就是透明的。所以透明只是一个相对概念。
大多数金属都不透明,且还有所谓的金属光泽。因为金属原子除了自身的结构电子,还有很多到处乱跑的自由电子,这也是它们导电的原因。这些自由电子就像一片电子海洋(plasma),可以有效的反射光。
总之,物体透不透明是电子与光之间的反应造成的,受量子力学限制,与原子空不空没多大关系。而光与所有物质相互作用,要么被反射,要么被吸收,要么穿透,各占一定的比率。
你可以说,是量子力学给了宏观物质的实在性,给了我们五彩缤纷的世界。
深入探究世界的微观领域,你会发现没有量子的不确定性,很难有宏观世界的确定性。
一颗粒子状的电子每时每刻出现在一片云朵里的任何位置,确实让人难以理解,但如果你把这个电子想象成为一种波,或许就好理解一些,这也是我们常说的“波粒二象性”,虽然这也肯定不是物质的本质,不过目前我们只能这样描述。
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