原子核放大到籃球場大，這個(gè)原子有多大，可以挖下一點(diǎn)玩玩嗎？

這是基于回答網(wǎng)友的問題：原子核放大到籃球場那么大，拿（工具）去刮鑿?fù)冢芡诘竭吔橇蠁幔?/p>

這是一個(gè)異想天開的問題。因?yàn)樵涌床坏矫恢?，許多人就有這種幻想，就希望把它放大來看看到底是個(gè)啥模樣。現(xiàn)在我們就來通過這種假設(shè)，了解一下原子的有關(guān)性質(zhì)。

原子核放大到籃球場這么大，原子有多大？

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的籃球場，長度為28米，寬度為15米，周邊還要有一些空地。通常人們認(rèn)為原子和原子核都是圓球狀的，我們就按照籃球場的內(nèi)空尺寸放大原子核，這個(gè)核就是一個(gè)15米直徑的球。

不同的原子有不同的核子結(jié)構(gòu)，最小的原子核只有1個(gè)質(zhì)子，原子量為1；最大的原子核有118個(gè)質(zhì)子，179個(gè)中子，原子量達(dá)到297。我們不去管它，只按照一般的說法，原子的數(shù)量級在10^-10m尺度，原子核的數(shù)量級在10^-15m尺度，來衡量這個(gè)原子有多大。

這樣，如果原子核放大到直徑15米，這樣原子核放大倍數(shù)為1.5億億倍。那么將原子直徑增加同等倍數(shù)，這個(gè)原子直徑就有1500公里。用現(xiàn)實(shí)中的物體比較，這個(gè)原子核就差不多有一幢別墅那么大，而原子就要占據(jù)一個(gè)100萬平方公里的范圍，而中國總面積才960萬平方公里。

這個(gè)原子就相當(dāng)一個(gè)小星球，差不多有鳥神星那么大，鳥行星是太陽系第三大矮行星。而這個(gè)星球般大的原子，總質(zhì)量的99.87卻在別墅般大的原子核上，體積卻只有整個(gè)原子的幾千億分之一，占據(jù)了巨大空間的電子質(zhì)量幾乎可以忽略不計(jì)。

那么原子是虛空的嗎？

看起來的確是這樣，實(shí)際上并非如此。早些時(shí)期，人們認(rèn)為的原子形態(tài)是行星模型，就是一個(gè)個(gè)電子圍繞著原子核在不同能級上運(yùn)動，就像一顆顆行星圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)，所謂虛空就是這么來的。

后來量子力學(xué)的發(fā)展，粒子運(yùn)動的不確定性原理認(rèn)為，人們無法確定粒子運(yùn)動的位置和動量，因此電子隨機(jī)地在原子核周圍運(yùn)動，隨時(shí)可能出現(xiàn)在任何位置，這樣就形成了電子云模型。可以理解為，原子的電子外殼實(shí)際上并非一個(gè)乒乓球樣的外殼，而是充實(shí)在每一個(gè)位置的點(diǎn)。

別看這占據(jù)質(zhì)量極少的電子外殼，卻牢固地包裹保護(hù)著原子核，要打破這個(gè)堅(jiān)硬的外殼，接觸到內(nèi)部的核，一般的常力是無法做到的。就如題目所說，即便這個(gè)原子變成鳥神星這么大，用挖掘機(jī)、槍炮、原子彈也無法撼動其表面半分，更別說拿把鋤頭，或提著一個(gè)工具箱去挖、鑿、刮原子核了。即便能刮動外圍表土，你有辦法挖到鳥神星的核心嗎？

多大的力才能打破原子的電子外殼呢？

在地球上，組成物質(zhì)的原子和分子之間是有很大間隙的，因此物質(zhì)的確是疏松虛空的。任何物質(zhì)，就連鋼鐵、金銀在高倍電子顯微鏡下，其結(jié)構(gòu)也是空洞大于實(shí)體，因此物質(zhì)在極大壓力下，就會被壓縮，密度增大。

但這種增大只是分子、原子之間間隙的縮小，并不會觸動原子外殼本身。地球上最大壓力在地心，是海平面壓力的360萬倍，那里的物質(zhì)在高溫高壓下成為特殊的流體狀，其堅(jiān)硬和韌性比地球任何地方的物質(zhì)都大，但原子形態(tài)依然沒有撼動半分。

壓力的單位為Pa，稱帕斯卡，簡稱帕，海平面大氣壓為101.325kPa（千帕），通俗說法為1個(gè)大氣壓，也可以說1公斤壓力，就是每平方厘米承受1公斤的壓力。

在木星、土星等大質(zhì)量行星，核心壓力達(dá)到幾百甚至幾千萬個(gè)，氣態(tài)氫在這種壓力下成為液態(tài)，甚至成為金屬態(tài)，但氫原子的形態(tài)依然是完整的。

而人力能夠形成的壓力有多大呢？挖掘機(jī)的壓力也就300公斤左右，狙擊步槍子彈對目標(biāo)壓力約1000公斤，原子彈爆炸核心壓力可達(dá)幾十萬個(gè)大氣壓強(qiáng)。也就是說地球上人為的力是無法打破原子電子外殼的，更別說觸動內(nèi)部的原子核了。

能夠撼動原子外殼的白矮星。

宇宙中有一種星球叫白矮星，體積只有地球大小，質(zhì)量卻相當(dāng)太陽這么大，因此其密度極大，達(dá)到10噸/cm^3，這種星球一般是太陽質(zhì)量8倍以下的恒星，死亡后留下的尸骸。

這種星球?yàn)槭裁疵芏扔羞@么大呢？就是因?yàn)闃O高的引力壓，將物質(zhì)的原子外層結(jié)構(gòu)破壞了，原子外層電子成為自由電子，被壓縮到最靠近原子核的能級，電子之間的距離被壓縮靠近了。但白矮星物質(zhì)的原子核依然沒有脫離電子的保護(hù)，只是蕩漾在電子的海洋中。

這個(gè)壓力有多大呢？研究表明白矮星表面引力壓力達(dá)到地球的4.5億~10億倍，表面重力達(dá)到地球表面的18萬倍以上。這樣巨大的壓力雖然把原子外層電子壓得緊致了，電子與原子核之間的空間變小了，但依然無法觸及到原子核。

只有當(dāng)白矮星通過吸積達(dá)到錢德拉塞卡極限，也就是1.44個(gè)太陽質(zhì)量以上，白矮星就會坍縮成一個(gè)中子星。

量子簡并壓是支撐白矮星、中子星的力量。

何謂量子簡并壓？量子力學(xué)把基本粒子分為玻色子和費(fèi)米子，電子、質(zhì)子、中子都屬于費(fèi)米子。費(fèi)米子粒子遵循泡利不相容原理，就是費(fèi)米子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的粒子處于完全相同的狀態(tài)。通俗點(diǎn)說就是當(dāng)它們在一起時(shí)，就會像小孩子們玩游戲一你推我搡，相互不讓靠近，只有在極大壓力下，才會壓垮這種排斥力。

白矮星就是依靠電子與電子之間的相互排斥力，支撐著巨大的重力壓力，維持著星球的物質(zhì)形態(tài)。這種支撐壓叫電子簡并壓。當(dāng)引力壓力進(jìn)一步加大，電子簡并壓無法支撐這種壓力時(shí)，電子就被壓到了原子核里。

由于電子帶負(fù)電，原子核的質(zhì)子帶正電，它們碰到一起就會中和變成中子。這時(shí)，中子與中子之間相互排斥的壓力支撐著物質(zhì)保持某種形態(tài)，這種支撐壓就叫中子簡并壓，這種全部由中子組成的物質(zhì)就叫中子簡并態(tài)物質(zhì)，有這種物質(zhì)組成的星球就叫中子星。

中子星體積只有10公里左右直徑，質(zhì)量卻達(dá)到太陽的1.44倍以上，因此其密度高達(dá)10億噸/cm^3，表面壓力達(dá)到10^18個(gè)大氣壓強(qiáng)，也就是每平方厘米1000萬億噸。

宇宙中頂級極限壓力就是黑洞。

當(dāng)中子星通過吞噬恒星或星際物質(zhì)，達(dá)到奧本海默極限，也就是中子星質(zhì)量達(dá)到太陽3倍以上，中子簡并壓就無力支撐自身巨大引力壓力了，所有物質(zhì)都無限坍縮到中心那個(gè)無限小的奇點(diǎn)上，中子、夸克都破碎化為烏有，可見物質(zhì)再也不存在，只剩下質(zhì)量、電荷、角動量三個(gè)物理量，這就是黑洞。

由此可見，要破壞原子外殼，改變原子核結(jié)構(gòu)，依靠蠻力是做不到的，需要的力量太大了。但聰明的科學(xué)家們并不需要蠻力解剖原子，而是通過高溫、低溫、碰撞等方式，深入到原子核內(nèi)部去了解物質(zhì)深層次本質(zhì)，如可控核聚變、波色~愛因斯坦凝聚態(tài)、大型強(qiáng)子對撞機(jī)等方式，獲得了許多基本粒子的信息，從而讓人類文明走向新的高度。

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