原子理論是什麼?你夠了解原子嗎?——《科幻小說不是亂掰的:白日夢世界中的真實科學》上

來點原子理論吧?

你絕大部分是空曠的空間。是的,在那許多空間中有著所有的電子在你的身體裡與環繞在它們周圍的細胞核。因為數量多到如果所有的空間都被消滅,你會崩解成比一顆雀斑或是一隻螞蟻還小。

這不是關於原子唯一詭異的地方,當你接觸由原子所組成的任何東西時,你其實沒有碰到任何東西。而且,你可以接觸或被觸碰,雙手並沒有穿過你,你所感受到的是電磁力。

圖/maxpixel

以本書為例,電子行進你的指尖的原子軌道只會從這本書的電子感覺到排斥作用。你感受到的是一股排斥的力量,但你認為你感受到的是由你的強大的頭腦所作的決定。這是一件好事,你的雙手可能不想要用這本書打造一個分子,所以就排斥它。

事實上在摩擦的形式裡有一點化學結合。你不會想要這本書就從手上滑落,那就是說,原子的化學結合是件好事,它能夠結合物質。

原子間的激情碰撞。圖/pixabay

如果你用一把刀切了一片麵包,刀子其實沒有碰到麵包。刀子的原子推開麵包的原子。

這所有的一切都是因為電磁力的關係,它是宇宙裡的四大主要力量之一。這些力量負責所有粒子物理裡的標準模型,這個模型到目前為止是針對物質(粒子〉的基礎材料如何在我們的宇宙遊樂場裡互相合作的最佳解釋。

四種宇宙力量

  • 電磁—這種力量能把物質連接在一起,包括原子。太好了! 要感謝電磁力,才有光明。我們在宇宙所看到的每一樣東西都是來自電磁波。
  • 重力—有些人覺得重力交互作用很有意思,雖然重力是在標準模式裡,但它卻無法以此來解釋。
  • 弱核力(弱作用力)—這個力量是放射性衰變的原由。聽起來很無趣,但沒了它,就沒有太陽;所以也不會有你的出現。
  • 強核力(強作用力)—這個力量連接原子裡的原子核。如果沒有這個力量,在你以碳為主的身體裡的原子中帶正電質子會互相排斥。還好有這股強作用力將質子與中子一起綁在它們的原子裡的原子核中。

技術補充:這四種力量都有帶粒子,這些帶粒子就像是其它粒子間的使者。例如,一個光子(光的量子,是光的一個粒子的使用術語〉是電磁學的使者。當兩個電子靠近時,它們會送出光子的「走開」的訊息給對方。這個訊息是非常強大並且會把電子推開。

如果一股粒子力量存在於重力,它會默默地傳導。或者更糟的是,它會接受證人保護計畫與躲藏到連科學家都無法找到。而且為了要符合標準模式,它必須在所有物質上用盡所有力量。有些說法是指這有可能是重力子,是重力的量子化化身。重力子是量子力學的聖杯,如果它浮出檯面,科學家可能最後可以讓相對論與量子力學一致。

何謂原子?

每件事物都是由稱為原子的不可分割的粒子所組成。圖/pexels

這個問題的答案可能沒有你想像的那樣簡單。回到遠古時期(約西元前四百六十五年〉,希臘自然派哲學家德謨克利特(Democritus〉說過我們所觀察到的每件事物都是由稱為原子的不可分割的粒子所組成。(原子 atom 源自於希臘文 atomos,意思就是「不可分割」〉。他深信如果你一直將某件物品對半切開,一定會來到一個點是你將無法再切割它。

這些無法分割的基本粒子是組成存在於我們身邊的每個事物。德謨克利特定義了我們現在所叫的原子,但他既對也錯。他對的是每一個事物都是由原子組成,但它們不是最基本的,因為它們可以再拆解。你可能在中學或高中(或更早〉時學過,一個原子可以再分成帶負電的電子、帶正電的質子及不帶電荷的中子。

圖/wikimedia

所有一般正常的原子都有一個不帶電荷,意思是它們有著相同數量的電子及質子。沒有相等數量的電子及相對應數量質子的原子,我們稱為離子。不同的離子帶有不同的電造成原子結合成分子。這就是化學了。

特立獨行的氦原子

現在事情發展到這裡只會變得更詭異了。試想一個氦原子,這個「某樣東西」的小部分來自於兩個帶負電的電子繞著兩個帶正電的中子。(因為如此,這個原子就不帶電荷。兩個帶負電的電子抵銷了兩個帶正電的質子,它們的電荷是由於電磁力所產生的。〉

你曾經聽過關於異性相吸嗎? 這就是電磁力運作的方式。一個正電無法抵抗一個負電的充滿誘惑吸引力。並且,兩個志趣相投的負電是無法忍受一直膩在一起。根據這種直覺,氦原子是說不通的。首先,就我們所知道的磁鐵,難道電子不會摧毀帶正電的質子嗎?

第二點,為什麼兩個帶正電的質子不會互相排斥呢?

兩個帶正電的質子不會互相排斥,大概是因為貓太可愛了(大誤。圖/pixabay

第一個問題的答案是電子的軌道因為波粒子二元性不會受到破壞。如果你不記得這個主題,那我們來複習一下:每一個事物都有自己的頻率波。從記憶圖像的觀點來說,可以將波想像成彈簧(從側面看,它像一道波浪〉。當一個電子接近其核心時,彈簧就會變得越來越緊直到某一個寬度是無法再做任何壓縮。這讓它們沒辦法進入原子核中。

為什麼在一個原子核裡的質子會結合在一起的這個問題的解答就是強核力。在一個非常短的距離,假設是一個原子核的寬度好了,其力量的強度遠超過試著要分開它們的電磁力。在這章插曲加碼篇,你會知道這些力量彼此間到底有多強的關聯性。

答案是宇宙大爆炸後約三十八萬年。第一個原子出現在我們的宇宙是氫與氦原子,是原子裡重量最輕的。比較重的原子一直到一百六十萬年後第一批恆星(團)形成後才出現。所謂的新手,也就是這些較重的原子(元素)像是鐵,一直到第一個超新星出現後才存在。越大的原子有可能越年輕。這是因為它們是從較輕的原子經過混合後所形成的。

 

 

 

——本文摘自《科幻小說不是亂掰的》,2019 年 3 月,時報出版


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時報出版

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