我們生活在宏觀世界,日常生活中總是在不斷分割打碎各種東西。比如最常見的打雞蛋,我們總會感覺雞蛋很容易被打碎,畢竟輕輕一碰,雞蛋就碎了!
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不過如果想徒手握住一枚雞蛋想要打碎雞蛋就不是那么容易了,當雞蛋受力均勻時,想要打碎它會變得很難。因為當受力均勻時,雞蛋可以承受幾十公斤的壓力而不會碎!
將雞蛋打碎的過程其實就是把雞蛋分割成更小單元的過程。
現實中所有我們看到的物體都可以分割成更小的單元,那么能否一直分割下去呢,比如說原子是否能繼續分割呢?
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在一百多年前,答案是否定的,當時的物理學界認為原子是組成物體的最小單元是不可分割的,在古希臘語中,原子的意思就是不可分割的。
但如今我們知道原子也是可以分割的,那么需要多大的能量才能將原子分割呢?
原子是由電子和原子核組成的,理論上只要把原子核和電子分割開來,就算是把原子分割了,其實也就是把原子像雞蛋那樣捏碎。
想要把原子“捏碎”,雖然我們需要詳細了解原子內部結構和各種力的相互作用。
宇宙萬物都是由原子組成的,原子是由原子核和電子組成,而原子核又是由質子和中子組成,如此數量眾多的微觀粒子是如何結合在一起的呢?
答案就牽扯到自然界的幾種基本作用力。
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四種基本作用力:引力,電磁力,強力,弱力。質子和中子就是靠強力結合在一起的,強力的作用范圍很有限,只能在原子核內,而原子核和電子是靠電磁力結合在一起的,原子和原子之間也是靠電刺激結合起來的,然后形成宇宙萬物。強力是四種基本作用力中最強的力,比電磁力要強173倍,而我們熟知的引力是最弱的力,如果強力大小是1,那么引力只有10的-39次方分之一!
原子是由電子,質子和中子組成的微小粒子,而質子和中子組成的原子核占據了原子核幾乎全部質量,達到99%以上。原子核體積非常小,如果原子有足球場那么大,那么原子核就相當于一粒米。雖然體積很小,但原子核質量幾乎就等同于原子的質量,所以要把原子“捏碎”,也就相當于原子被“捏碎”了。
所以,問題就變得非常簡單多了:只需要把原子核分開(捏碎),原子也就自動解體了。那么捏碎原子核的力量,就必須大于質子和中子之間的強力作用,這個強力作用有多大呢?
這里用鐵原子核舉例子,因為鐵是最穩定的元素,鐵元素的平均結合能最高,不容易發生裂變,當然也不容易發生巨變。
何為結合能?
我們都知道,質子和中子靠強力作用結合在一起,簡單說,結合能就是質子和中子結合在一起所需的能量。反過來說,把質子和中子分開也需要同樣大小的能量。不同元素擁有不同數量的中子質子,總結和能除以中子和質子的數量,就是平均結合能。
平均結合能越大,意味著原子核越不容易被捏碎,原子核也越穩定。
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在所有元素中,鐵元素的平均結合能最大,總的結合能大約為7.71x10^-11焦耳,所以理論上把鐵元素的中子質子分開也就需要大約如此多的能量。
你可看到了,這個非常少的能量,連一焦耳都沒有。一焦耳的能量有多大?學過初中物理的都知道,用一牛頓的力把一物體沿著力的方向移動一米所需能量就是1焦耳,這是相當少的能量。
而把其他元素捏碎則會更容易,因為其他元素都沒有鐵穩定。
所以說,但從需要的能量來看,理論上打碎一個原子并不是什么難事。不過現實操作起來絕不僅僅是能量的問題,最大的問題是原子實在太小了,像捏雞蛋那樣捏住原子并不是非常容易的事情。原子直徑大約只有10^-10米左右,原子核的直徑更小,只有10^-15米左右。
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不過科學家們當然自有方法,科學家早就能夠單獨操控單個原子,利用掃描隧道顯微鏡這個工具就可以實現對單個原子的操控。
那么能不能更進一步,把更小的質子或中子繼續分割下去呢?質子和中子都是由夸克組成的,能不能把它們繼續分割成夸克呢?
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目前來看是做不到的,因為夸克之間存在色禁閉現象(夸克禁閉)。何為夸克禁閉?它是一種量子場論的現象,夸克不會單獨存在。由于強力作用,帶色荷的夸克被限制必須與其他夸克結合在一起,使得總色荷為零。同時,夸克之間的作用力會隨著距離增加而增強,所有我們并不能發現單獨存在的夸克!
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