地球/3b. 原子：电子、质子和中子

地球
3b. 原子：电子、质子和中子

普朗克长度、宇宙的结构和极端形式的物质

如果将水 (H₂O) 置于开尔文勋爵预测的绝对零度温度，即 0 开尔文或 −273.15° 摄氏度，并在 0 帕斯卡压力的完全真空环境中，会发生什么？如果将水 (H₂O) 置于极高的温度和压力下，比如宇宙中最稠密恒星的核心，会发生什么？

这些问题的答案似乎超出了实际实验的范围，但新的研究正在发现这些极限下物质的新状态。这些额外的物质状态存在于所有相图的极端范围内；在可观察到的温度和压力的极限处。正是相图的角落，物质以奇怪的方式表现出来。然而，这些新的物质形式是在近一个世纪前被发现的，这得益于两位生活在地球两端的科学家之间的独特合作。

作为七个妹妹的大家庭中的长子，萨特延德拉·纳特·玻色在印度繁华的加尔各答市长大。他的家庭很富裕，因为他的父亲是一名铁路工程师，也是居住在孟加拉总统府的上层阶级印度教社会的一员。玻色表现出对数学的天赋，并晋升为教师，后来成为达卡大学的教授，在那里他教授物理学。玻色阅读了阿尔伯特·爱因斯坦的论文，并将其著作从英语翻译成印地语，并开始与阿尔伯特·爱因斯坦通信。在印度给他的课堂讲授普朗克常数和黑体辐射器时，他偶然发现了独特的认识，爱因斯坦在描述原子和光子（电磁辐射）之间相互作用的性质时犯了一个统计数学错误。

您可能还记得普朗克常数与光或能量如何击中物质，并在完美的黑体辐射器中被吸收或辐射有关。1900 年，马克斯·普朗克使用他的常数（ $h$ ），并计算出电磁辐射可能发生的最小光子波长之间的距离。该方程为

{\text{Planck's Length}}={\sqrt {\frac {\hbar G}{c^{3}}}}

其中 ℏ 是约化的普朗克常数 (h)，它等于 1.054571817x 10^-34 焦耳秒或 ℏ，等于 h 除以 2π。G 是亨利·卡文迪许对重力的计算 G= 6.67408x10⁻¹¹ 米³/千克秒²，c 是真空中的光速，为 299,792,458 米/秒。

此长度称为普朗克长度。它是可能发生的最高能量电磁辐射波长之间的最小理论距离。它还与原子内电子之间的最小理论距离有关。目前计算出的普朗克长度为 1.6 x 10^-35 米，这非常小，因为小数点前面有 35 个零，或者 0.000000000000000000000000000000000016 米长。

玻尔的原子模型

在物理学中，它是距离的最小测量值。萨特延德拉·纳特·玻色还了解一种新的原子模型，由丹麦科学家尼尔斯·玻尔提出，他将原子视为与太阳系排列类似，行星围绕恒星运行，但不是行星，而是微小的电子围绕原子的原子核运行。在玻尔的原子模型下，最简单的原子类型（氢）是一个电子围绕由单个质子组成的原子核运行。

电子轨道壳层

在荧光中的实验表明，当电磁辐射（如光）被原子吸收时，电子会上升到更高的能级。随后，它们下降到自然能级并释放能量作为光子。这就是为什么材料在加热时会发光，为什么放射性材料在受到伽马或 X 射线电磁辐射时会发光。科学家可以测量这种情况下释放的光子的能量，尼尔斯·玻尔认为，释放的能量似乎与轨道壳层的距离有关，以普朗克长度为单位的微小单位进行测量。尼尔斯·玻尔开发了一个模型来解释每个轨道壳层如何出现以容纳越来越多的电子，以及越来越多的质子。

可以这样理解电子轨道层：它们就像一把尺子上的刻度。电子必须从这些离散的刻度中绕原子核旋转，这些刻度之间用普朗克长度（理论上可能的最小距离单位）测量。为了验证这一想法，科学家用高能光激发原子，并测量原子发射的电磁辐射量。当电子吸收光时，它们会以离散的普朗克长度向上移动刻度，但它们也会向下移动一个刻度并释放光子，在此过程中发射电磁辐射，直到它们停留在由原子核中相同数量的质子支持的刻度上。

这种效应被称为光电效应。阿尔伯特·爱因斯坦于1921年因证明电磁辐射的频率通过普朗克常数的倍数激发电子以确定能量输出而获得了诺贝尔奖。

因此，E = hv，其中E是能量，用焦耳测量，h是普朗克常数，v是电磁辐射的频率。我们可以使用v = c / λ，其中c是光速，λ是波长来确定不同光波长的频率v，发现波长越短，能量越大。

当电子通过吸收更多电磁辐射向上移动到远离原子核的刻度时，它们最终会变得非常兴奋，以至于它们可以完全摆脱原子核并成为自由电子（电力）。这在金属材料中尤其常见，金属材料与轨道电子之间的连接较松散，但理论上可以发生在任何类型的材料上，前提是材料受到足够的电磁辐射。这就是物质被加热时发生的情况，电子在能量状态中向上移动，导致原子振动，这些振动以电磁辐射的形式传递到周围粒子，它们的电磁能量膨胀。这就是为什么随着温度升高和压力降低，物质密度会降低，体积会从固体膨胀到液体，再到气体，最终当能量足够高时，电子会从原子核中释放出来，形成等离子体，即自由流动的电子或电力。

电子围绕原子核旋转的这些刻度集中在特定的稳定轨道层上，使得电子的数量正好与原子核内的质子数量匹配，并按照顺序填充轨道层。稳定轨道层构成了你在许多教室中看到的元素周期表的组织结构。

可以将这些稳定轨道层想象成一把尺子上的离散刻度，尺子上的每个“厘米”代表电子层中的一个轨道距离。可能存在更小的单位，例如毫米，最小单位用普朗克长度测量。科学家渴望测量原子内的这些微小距离，但发现这不可能，因为电子不像围绕太阳旋转的行星，而是像振荡波一样形成围绕这些离散稳定距离的概率函数。因此，无法预测电子在这些从原子核到刻度距离上的确切位置。这就是著名的海森堡不确定性原理，该原理指出，无法同时精确测量电子的位置和速度。从某种意义上说，这是有道理的。电子就像光子一样围绕原子核以光速旋转，并且像振荡波一样，这使得无法测量电子在其围绕原子核轨道上的特定位置。对原子结构的研究，例如，被称为量子物理学。

萨特延德拉·纳特·玻色读过爱因斯坦关于该主题的著作，并注意到爱因斯坦在光电效应计算中存在一些数学错误。玻色提出了一种新的解决方案，并请爱因斯坦将其作品翻译成德语以供发表。爱因斯坦慷慨地同意了，玻色的论文发表了。爱因斯坦和玻色将这一新的解决方案用于解决当原子受到开尔文勋爵的极低温度绝对零度影响时，这些电子轨道会发生什么的问题。

爱因斯坦在玻色的引导下提出，电子轨道距离将坍缩，向下移动到普朗克尺度上可能的最低刻度。这种微小的距离阻止了原子坍缩，被称为零点能。奇怪的是，无论原子包含多少质子或电子，在这些极低温度下，所有原子都会导致电子以类似的方式坍缩到最低刻度。

此时，原子成为一种新的物质状态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态。玻色-爱因斯坦凝聚态具有某些奇特的性质。首先，它是一种超导体，因为电子与原子核的结合非常弱，其次，除了氦之外的所有元素都成为固体，最奇怪的性质是，这种状态下所有原子都会表现出相同的化学性质，因为电子非常靠近原子核，并且它们占据了最低的轨道层。

氦在常温常压下是一种气体，具有两个质子和两个电子。当它在真空中冷却到绝对零度时，它仍然保持液体状态，而不是像所有其他元素那样成为更致密的固体，只有在添加额外压力时，氦才会最终变成固体。它是唯一具有这种特性的元素，所有其他元素在绝对零度下都会变成固体。这是因为电子轨道中的零点能足以使氦在接近绝对零度的温度下仍然保持液体状态。1995年，科罗拉多大学的两位科学家埃里克·康奈尔和卡尔·威曼超级冷却了铷-87，在实验室中首次产生了玻色-爱因斯坦凝聚态的证据，这使他们获得了2001年的诺贝尔奖。此后，许多其他实验室一直在对玻色-爱因斯坦凝聚态进行实验，将电子推离原子核仅一步之遥。

当原子受到强烈的热量和压力影响时会发生什么？电子将向上移动这些刻度，直到它们距离原子核足够远，离开原子并成为等离子体，即自由电子的流动。因此，在高压和高温下首先发生的是自由流动的电子产生电力。如果压力和温度继续升高，质子将转化为中子，释放光子作为伽马射线和中微子。这种核聚变是产生太阳等恒星核心能量的过程。如果中子受到更大的压力和温度影响，它们会形成黑洞，这是宇宙中最神秘的物质形式。

科学的前沿之一是极小的普朗克长度与宇宙膨胀的联系，宇宙膨胀是由哈勃常数确定的。描述这种关系的一种方法是想象一个物质结构，它在单个原子层面上被拉开（膨胀），导致宇宙膨胀。对科学这一方面的研究被称为宇宙学。

原子

电子

在化学中，电子通常被认为是原子最重要的方面，因为它们决定了原子如何结合在一起形成分子。然而，电子可以在原子之间移动，甚至形成等离子体。在化学中，可能更重要的是原子核内质子的数量。

质子

原子核内质子的数量决定了元素的名称。因此，所有具有1个质子的原子被称为氢，具有2个质子的原子被称为氦，而具有3个质子的原子被称为锂。原子中的质子数量称为原子序数 (Z)。每个元素都由其原子序数进行分类，原子序数出现在元素周期表的顶角，以及每个元素的化学符号。前26个元素是在早期原太阳中通过聚变形成的，而原子序数大于26的元素是在超新星事件中形成的，原子序数大于94的元素在自然界中不存在，必须在实验室中合成。以下是截至2020年的元素列表，列出了元素的原子序数和名称。

在太阳中通过聚变形成的元素

1-氢 (H)
2-氦 (He)
3-锂 (Li)
4-铍 (Be)
5-硼 (B)
6-碳 (C)
7-氮 (N)
8-氧 (O)

在更大的原太阳中通过聚变形成的元素

9-氟 (F)
10-氖 (Ne)
11-钠 (Na)
12-镁 (Mg)
13-铝 (Al)
14-硅 (Si)
15-磷 (P)
16-硫 (S)
17-氯 (Cl)
18-氩 (Ar)
19-钾 (K)
20-钙 (Ca)
21-钪 (Sc)
22-钛 (Ti)
23-钒 (V)
24-铬 (Cr)
25-锰 (Mn)
26-铁 (Fe)

在超新星事件中形成的元素

27-钴 (Co)
28-镍 (Ni)
29-铜 (Cu)
30-锌 (Zn)
31-镓 (Ga)
32-锗 (Ge)
33-砷 (As)
34-硒 (Se)
35-溴 (Br)
36-氪 (Kr)
37-铷 (Rb)
38-锶 (Sr)
39-钇 (Y)
40-锆 (Zr)
41-铌 (Nb)
42-钼 (Mo)
43-锝 (Tc)
44-钌 (Ru)
45-铑 (Rh)
46-钯 (Pd)
47-银 (Ag)
48-镉 (Cd)
49-铟 (In)
50-锡 (Sn)
51-锑 (Sb)
52-碲 (Te)
53-碘 (I)
54-氙 (Xe)
55-铯 (Cs)
56-钡 (Ba)
57-镧 (La)
58-铈 (Ce)
59-镨 (Pr)
60-钕 (Nd)
61-钷 (Pm)
62-钐 (Sm)
63-铕 (Eu)
64-钆 (Gd)
65-铽 (Tb)
66-镝 (Dy)
67-钬 (Ho)
68-铒 (Er)
69-铥 (Tm)
70-镱 (Yb)
71-镥 (Lu)
72-铪 (Hf)
73-钽 (Ta)
74-钨 (W)
75-铼 (Re)
76-锇 (Os)
77-铱 (Ir)
78-铂 (Pt)
79-金 (Au)
80-汞 (Hg)
81-铊 (Tl)
82-铅 (Pb)
83-铋 (Bi)
84-钋 (Po)
85-砹 (At)
86-氡 (Rn)
87-钫 (Fr)
88-镭 (Ra)
89-锕 (Ac)
90-钍 (Th)
91-镤 (Pa)
92-铀 (U)
93-镎 (Np)
94-钚 (Pu)

实验室合成的非天然元素

95-镅 (Am)
96-锔 (Cm)
97-锫 (Bk)
98-锎 (Cf)
99-锿 (Es)
100-镄 (Fm)
101-钔 (Md)
102-锘 (No)
103-铹 (Lr)
104-钅卢 (Rf)
105-钅杜 (Db)
106-钅喜 (Sg)
107-钅波 (Bh)
108-钅黑 (Hs)
109-钅麦 (Mt)
110-钅达 (Ds)
111-钅伦 (Rg)
112-鎶 (Cn)
113-鉨 (Nh)
114-鈇 (Fl)
115-镆 (Mc)
116-鉝 (Lv)
117-镏 (Ts)
118-鿫 (Og)

浏览这些名称，你会发现既有熟悉的元素，例如氧气、氦气、铁和金，也有不常见的元素。你可能第一次听说铟、锝、铽和钬。这是因为每种元素在地球上的丰度不同，有些元素比其他元素多几个数量级。例如，原子序数最高的元素是118号元素鿫，它在2016年正式命名，非常稀有，科学家只报道过5到6个原子。这些元素非常稀有，因为随着原子核中质子数量的增加，原子变得越来越不稳定。

原子中，如果有两个或多个质子，需要额外的中子来克服它们之间的排斥力。质子带正电，会吸引带负电的电子，但这些正电荷也会让质子互相排斥。中子的加入有助于稳定原子核，使多个质子能够共存于原子核中。一般来说，原子中包含的质子越多，原子就越不稳定，导致放射性衰变。这就是为什么原子序数较大的元素，例如钍 (90)、铀 (92) 和钚 (94) 是放射性的。科学家推测，可能存在原子序数大于118的元素，这些元素可能是稳定的，但目前尚未发现。另一个重要的事实是，与电子不同，质子具有原子质量。当你学习科学家如何确定固体、液体和气体中实际存在的元素类型时，就会再次遇到这个重要的事实。

中子

原子的最后一个组成部分是中子。中子和质子一样具有原子质量，但没有电荷，因此在电荷方面与电子呈中性。中子在恒星中通过质子融合形成，但也可能在核裂变过程中原子的β衰变过程中出现。与质子不同的是，质子可以是自由的，并且在没有电子和中子的情况下保持稳定（例如氢离子）。自由中子在地球上很快就会衰变成质子，几分钟内就会衰变。这些自由中子是通过较大元素的β衰变产生的，但中子在最致密的恒星核心内部是稳定的，这些恒星能够通过其巨大的引力加速将中子束缚在最大类型的恒星内部；中子星。中子在地球上几乎完全存在于原子中，与质子并存，使包含多个质子的原子更稳定。质子和中子是原子核中唯一的原子粒子，也是唯一对原子质量有贡献的原子粒子。

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