在原子核和电子之间的广阔空间里存在着什么?是绝对真空吗?


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在原子核和电子之间的广阔空间里存在着什么?是绝对真空吗?


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在原子核和电子之间的广阔空间里存在着什么?是绝对真空吗?


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原子曾经被认为是世间万物的基本微粒 , 但后来人们却发现 , 原子是由原子核和电子构成 , 而在原子核和电子之间还存在着广阔的空间 , 具体有多广阔呢?我们不妨拿宇宙中最简单的原子——氢原子来举例说明 。

氢原子的原子核其实就是一个质子 , 其半径约为0.833 x 10^-15米 , 当一个氢原子处于基态的时候体积最小 , 其半径大约为0.528 x 10^-10米 , 也就是说 , 一个处于基态的氢原子的半径是其原子核的大约63385倍 。
这就意味着 , 假如我们将一个处于基态的氢原子的半径放大到500米 , 那么按同等比例放大之后 , 其原子核的半径就有大约0.79厘米 , 其大小大概相当于一个常见的玻璃弹珠 。
当然了 , 氢原子还有一个电子 , 尽管科学家们目前还无法准确地测量出电子的半径 , 但可以确定的是 , 电子的半径的数量级不会超过10^-18米 , 也就是说 , 按同等比例放大之后 , 这个电子的半径最多也只有0.01毫米 , 依然渺小得如同一粒灰尘 。

在一个半径500米的球体空间中 , 只有位于其中心位置的一个小小的“玻璃弹珠” , 以及一粒围绕着这个“玻璃弹珠”运行的“灰尘” , 原子内部的空旷程度可想而知 。 相对于原子核与电子的尺寸来讲 , 原子内部的空间可以说是非常广阔了 , 那么问题就来了 , 在原子核和电子之间的广阔空间里存在着什么呢?
对于这个问题 , 或许你第一时间就会想到空气 , 但稍微想一下 , 你就会发现这是不可能的 。 因为空气本身就是由大量的原子组成的混合物 , 并且其中大部分的原子还结合成了气体分子(例如氧气、氮气) , 所以原子内部是不可能存在空气的 。
既然没有空气 , 难道原子核和电子之间的空间是绝对真空吗?答案当然是否定的 。

首先要讲的是 , 在原子核和电子之间的空间里 , 可能会存在着一些“匆匆而过”的粒子 , 比如说光子 , 现代物理学认为 , 光子是传递电磁相互作用的基本粒子 , 所以假如一个原子存在于电磁场中 , 那么在它的内部空间里 , 就会存在着光子 。
又比如说中微子 , 虽然这种基本粒子的体积和质量都极小(一般认为中微子的直径低于10^-20米 , 质量可以低于电子质量的100万分之1) , 但它们在宇宙中的数量却极多 , 比如说太阳平均每一秒就会产生大约 1.7 x 10^38 个中微子, 以至于在地球的表面 , 中微子的平均通量都可以达到每秒每平方米600万亿个 。
中微子的体积比原子小得多 , 数量又如此庞大 , 所以我们有理由相信 , 在原子核和电子之间的空间里 , 会经常出现中微子的身影 , 由于中微子不会参与强相互作用和电磁相互作用 , 因此它们在绝大多数情况下都只是在原子内部“路过” 。

另一方面来讲 , 有些不稳定的原子在发生衰变的时候 , 其原子核还会释放出不同种类的粒子 , 如α粒子、电子、正电子、中微子、反中微子等等 , 这些粒子也会短暂地存在于原子核和电子之间的广阔空间里 。
除了“匆匆而过”的粒子之外 , 在原子核和电子之间的空间里还存在着“希格斯场”(Higgs field) 。
“希格斯场”的概念最初由物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)于1960年代提出 , 他认为宇宙中存在着一种无处不在的量子场 , 当一个基本粒子与这种量子场发生相互作用时 , 这个基本粒子就具备了质量 。

【在原子核和电子之间的广阔空间里存在着什么?是绝对真空吗?】这种量子场就被称为“希格斯场” , 根据彼得·希格斯的理论 , 在能量极高的情况下 , “希格斯场”就会激发出一种被称为“希格斯玻色子”的基本粒子 。
在2013年的时候 , 欧洲核子研究组织(CERN)首次发现了“希格斯玻色子”的存在 , 而这也就意味着 , “希格斯场”是真实存在的 。 既然“希格斯场”在宇宙中“无处不在” , 那原子内部的空间里也就必定存在这种量子场了(否则的话 , 原子核和电子就不会具备质量了) 。

值得一提的是 , 在宇宙中的四种基本力之中 , 电磁相互作用力、强相互作用力和弱相互作用力都由特定的基本粒子来传递 , 因此一个合理的推测就是 , 引力可能也是由某种基本粒子来传递的 , 科学家将这种可能存在的基本粒子称为“引力子” 。

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