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、宇宙的结构以及物质的极端形式

如果你将水 (H₂O) 暴露于开尔文勋爵预测的绝对零度，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下，会发生什么？如果你将水 (H₂O) 暴露于极高的温度和压力下，比如宇宙中最稠密恒星的内核中，会发生什么？

这些问题的答案可能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条件下的新物质状态。这些额外的物质状态存在于所有相图的极端端点；在可观测温度和压力的极限范围内。物质在相图的角落表现出奇怪的行为。然而，这些新的物质形式是在近一个世纪前被发现的，这是由两位生活在地球两端不同地区的科学家之间独特的合作预测的。

作为七个妹妹中最大的男孩，萨特延德拉·纳特·玻色在印度熙熙攘攘的加尔各答市长大。他的家庭条件很好，因为他的父亲是一名铁路工程师，是生活在孟加拉总统的上层印度教社会成员。玻色在数学方面表现出天赋，并作为一名教师迅速晋升，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，并将其作品从英语翻译成印地语，并开始与阿尔伯特·爱因斯坦通信。当他在印度向他的班级讲授普朗克常数和黑体辐射器时，他偶然发现了一个独特的认识，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。

你可能还记得普朗克常数与光或能量击中物质的方式有关，光或能量在理想黑体辐射器中被吸收或辐射。在 1900 年，马克斯·普朗克使用了他的常数 ( $h$ ), 并计算出电磁辐射的最小光子波长间距离。该公式为

{\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，即 ℏ，等于 h 除以 2π。G 是亨利·卡文迪许对重力的计算结果，G= 6.67408x10⁻¹¹ 米³/千克秒²，而 c 是真空中的光速，为每秒 299,792,458 米。

这个长度被称为普朗克长度。它是理论上最高能量电磁辐射可能存在的最小波长间距离。它还与原子内电子之间理论上的最小距离有关。目前计算出的普朗克长度为 1.6 x 10^-35 米，这是一个难以置信的小数字，因为小数点前面有 35 个零，或者说长度为 0.000000000000000000000000000000000016 米。

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·玻色也了解一个新的原子模型，该模型是由丹麦科学家尼尔斯·玻尔提出的，他认为原子类似于太阳系的排列方式，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）是一个围绕由单个质子组成的原子核运行的单个电子。

电子轨道壳

荧光实验表明，当电磁辐射（如光）被原子吸收时，电子会跃迁到更高的能级。它们随后回落到自然能级，并以光子的形式释放能量。这就是为什么材料在加热时会发光，以及为什么放射性材料在受到伽马射线或 X 射线电磁辐射照射时会发光的原因。科学家可以测量这种现象发生时作为光子释放的能量，尼尔斯·玻尔提出，释放的能量似乎与以普朗克长度为单位测量的微小单位的轨道壳距离有关。尼尔斯·玻尔开发了一个模型，解释了每个轨道壳如何似乎容纳越来越多的电子，以及越来越多的质子。

可以将这些电子轨道壳层想象成一把尺子上的刻度。电子必须从这些离散的刻度之一或更多刻度上绕着每个原子的原子核运动，这些刻度之间相隔的距离以普朗克长度测量，普朗克长度是理论上可能的最小距离测量单位。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，在这个过程中发射电磁辐射，直到它们落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 年凭借证明电磁辐射的频率是通过普朗克常数的倍数激发电子的因素来决定能量输出而获得了诺贝尔奖。

因此，E = hv，其中 E 是用焦耳测量的能量，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的 v，发现波长越短，能量越高。

当电子通过吸收更多电磁辐射而向上移动刻度，远离原子核时，它们最终可能会变得如此兴奋，以至于它们可以完全脱离原子核并成为自由电子（电）。这在金属材料中尤为常见，因为金属材料与轨道电子之间的连接较松散，但理论上可以在任何类型的材料中发生，只要对物质施加足够的电磁辐射。这就是物质被加热时发生的事情，电子在能量状态下向上移动，导致原子发生抖动，这会以电磁辐射的形式作用于周围的粒子，它们的电磁能量会膨胀。这就是为什么随着温度升高和压力降低，物质的密度会降低，体积会从固体膨胀到液体，再到气体，最终会有足够的能量使电子从原子核中释放出来，并导致形成等离子体，即自由流动的电子或电流。

电子绕原子核运动的这些刻度集中在某些稳定的轨道壳层上，使得电子的数量与原子核内的质子数量完全匹配，并按顺序填充轨道壳层。稳定的轨道壳层构成了您在许多教室中看到的元素周期表的组织形式。

可以将这些稳定的轨道壳层想象成一把尺子上的离散刻度，这把尺子上的每个“厘米”代表电子壳层中的一个轨道距离。可以有更小的单位，比如毫米，最小的单位是以普朗克长度测量的。科学家渴望测量原子内的这些微小距离，但发现这是不可能的，因为电子不像绕着太阳运行的行星那样，而是像振荡波一样，在这些离散的稳定距离周围形成概率函数。因此，不可能预测电子沿这些刻度距离从原子核移动的准确位置。这被称为海森堡不确定性原理，该原理指出，电子位置和速度不能同时精确测量。从某种意义上说，这是有道理的。电子像光子一样绕着原子核以光速运行，并作为振荡波，因此无法测量电子在其绕原子核运行的轨道内的特定位置。对原子结构的研究，如量子物理学，被称为量子物理学。

萨特延德拉·纳特·玻色已经阅读了爱因斯坦关于这一主题的著作，并注意到爱因斯坦在光电效应计算中存在一些数学错误。玻色提供了一个新的解决方案，并请爱因斯坦将这篇论文翻译成德语以供发表。爱因斯坦慷慨地同意了，玻色的论文得以发表。爱因斯坦和玻色将这一新解决方案应用于原子受到开尔文勋爵极低温度绝对零度时这些电子轨道的行为问题。

爱因斯坦在玻色的启发下提出，电子轨道距离将坍缩，向下移动到普朗克尺度上尽可能低的刻度。这个微小的距离阻止了原子的坍缩，被称为零点能。奇怪的是，所有原子，无论它包含多少个质子或电子，都会导致电子在这些极低温度下坍缩到最低刻度。

此时，原子变成了物质的一种新的状态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态。玻色-爱因斯坦凝聚态具有一些奇怪的特性。首先，它是超导体，因为电子与原子核之间的结合力很弱，其次除了氦之外的所有元素都变成了固体，最奇怪的特性是，处于这种状态的所有原子都将表现出相同的化学性质，因为电子离原子核很近，它们占据了最低轨道壳层。

氦在正常的室温下和压力下是气体，它有两个质子和两个电子。当它在真空中被冷却到绝对零度时，它仍然保持液态，而不是像其他所有元素一样变成密度更大的固体，只有在施加额外的压力后，氦才会最终变成固体。它是唯一具有这种性质的元素，所有其他元素在绝对零度下都变成了固体。这是因为电子轨道的零点能足以使氦在接近绝对零度的温度下仍然保持液态。1995 年，科罗拉多大学的两位科学家埃里克·康奈尔和卡尔·维曼将铷-87 超级冷却，在实验室中首次产生了玻色-爱因斯坦凝聚态的证据，这使他们在 2001 年获得了诺贝尔奖。从那时起，许多其他实验室一直在进行玻色-爱因斯坦凝聚态的实验，将电子推向原子核的边缘。

当原子受到强烈的热量和压力时会发生什么？电子将向上移动这些刻度，直到它们离原子核足够远，从而离开原子并成为等离子体，即自由电子流。因此，在高压和高温下首先发生的事情是，由于这些自由电子的自由流动而产生电流。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。这种核聚变产生了恒星内核（如太阳）中的能量。如果中子受到更大的压力和温度，它们将形成黑洞，这是宇宙中最神秘的物质形式。

科学前沿之一是极小的普朗克长度与宇宙的观测膨胀（由哈勃常数确定）之间的联系。描述这种关系的一种方法是想象一块物质的织物，它在单个原子层面上被拉开（膨胀），导致宇宙膨胀。对科学这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。也许在化学中更重要的是原子核内质子的数量。

质子

原子核中质子的数量决定了元素的名称。例如，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。原子中质子的数量被称为原子序数 (Z)。每个元素都由其原子序数分类，原子序数出现在元素周期表中每个元素的化学符号的右上角。前 26 种元素是在早期原太阳中通过核聚变形成的，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。

在太阳中通过核聚变形成的元素

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核聚变形成的元素

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)

在实验室中合成的非天然元素

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-钅 copernicium (Cn)
113-钅 nihonium (Nh)
114-钅夫 (Fl)
115-钅莫 (Mc)
116-钅利 (Lv)
117-钅 tennessine (Ts)
118-钅 oganesson (Og)

阅读这些名称，你会发现既有熟悉的元素，如氧气、氦、铁和金，也有不常见的元素。这可能是你第一次听说铟、锝、铽和钬。这是因为每种元素在地球上的含量不同，有些元素的含量比其他元素高出几个数量级。例如，原子序数最高的元素，元素 118 鿫，在 2016 年正式命名，非常罕见，科学家只报道了 5 到 6 个单原子。这些元素非常稀有，因为原子核中质子的数量越多，原子越不稳定。

具有两个或多个质子的原子需要额外的中子来克服两个或多个质子之间的排斥力。质子带正电荷，会吸引带负电荷的电子，但这些正电荷也会将质子彼此推开。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，原子包含的质子越多，原子越不稳定，导致放射性衰变。这就是为什么原子序数较大的元素，如 90 号的钍、92 号的铀和 94 号的钚具有放射性。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，但到目前为止还没有发现。另一个重要的事实是，与电子不同，质子具有原子质量。当您学习科学家如何确定固体、液体和气体中实际包含哪些类型的元素时，将再次回顾这个重要事实。

中子

原子的最后一个组成部分是中子。中子与质子一样具有原子质量，但没有电荷，因此在电学方面对电子来说是中性的。中子在恒星中通过质子的核聚变形成，但也可能在核裂变过程中原子的β衰变中出现。与质子不同，质子可以是自由的，并且在没有电子和中子的情况下是稳定的（如氢离子）。自由中子在地球上几分钟内就会迅速衰变成质子。这些自由中子是通过较大元素的β衰变产生的，但在最稠密的恒星的核心内，中子是稳定的，这些恒星能够将其在最大类型恒星中巨大的引力加速度内聚集在一起；中子星。中子在地球上几乎完全存在于原子中，靠近质子，增加了具有一个以上质子的原子的稳定性。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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