地球/3b. 原子：電子、質子和中子

地球
3b. 原子：電子、質子和中子

普朗克長度、宇宙的結構和極端形式的物質

如果將水 (H₂O) 置於開爾文勳爵預測的絕對零度溫度，即 0 開爾文或 −273.15° 攝氏度，並在 0 帕斯卡壓力的完全真空環境中，會發生什麼？如果將水 (H₂O) 置於極高的溫度和壓力下，比如宇宙中最稠密恆星的核心，會發生什麼？

這些問題的答案似乎超出了實際實驗的範圍，但新的研究正在發現這些極限下物質的新狀態。這些額外的物質狀態存在於所有相圖的極端範圍內；在可觀察到的溫度和壓力的極限處。正是相圖的角落，物質以奇怪的方式表現出來。然而，這些新的物質形式是在近一個世紀前被發現的，這得益於兩位生活在地球兩端的科學家之間的獨特合作。

作為七個妹妹的大家庭中的長子，薩特延德拉·納特·玻色在印度繁華的加爾各答市長大。他的家庭很富裕，因為他的父親是一名鐵路工程師，也是居住在孟加拉總統府的上層階級印度教社會的一員。玻色表現出對數學的天賦，並晉升為教師，後來成為達卡大學的教授，在那裡他教授物理學。玻色閱讀了阿爾伯特·愛因斯坦的論文，並將其著作從英語翻譯成印地語，並開始與阿爾伯特·愛因斯坦通訊。在印度給他的課堂講授普朗克常數和黑體輻射器時，他偶然發現了獨特的認識，愛因斯坦在描述原子和光子（電磁輻射）之間相互作用的性質時犯了一個統計數學錯誤。

您可能還記得普朗克常數與光或能量如何擊中物質，並在完美的黑體輻射器中被吸收或輻射有關。1900 年，馬克斯·普朗克使用他的常數（ $h$ ），並計算出電磁輻射可能發生的最小光子波長之間的距離。該方程為

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

其中 ℏ 是約化的普朗克常數 (h)，它等於 1.054571817x 10^-34 焦耳秒或 ℏ，等於 h 除以 2π。G 是亨利·卡文迪許對重力的計算 G= 6.67408x10⁻¹¹ 米³/千克秒²，c 是真空中的光速，為 299,792,458 米/秒。

此長度稱為普朗克長度。它是可能發生的最高能量電磁輻射波長之間的最小理論距離。它還與原子內電子之間的最小理論距離有關。目前計算出的普朗克長度為 1.6 x 10^-35 米，這非常小，因為小數點前面有 35 個零，或者 0.000000000000000000000000000000000016 米長。

玻爾的原子模型

在物理學中，它是距離的最小測量值。薩特延德拉·納特·玻色還了解一種新的原子模型，由丹麥科學家尼爾斯·玻爾提出，他將原子視為與太陽系排列類似，行星圍繞恆星執行，但不是行星，而是微小的電子圍繞原子的原子核執行。在玻爾的原子模型下，最簡單的原子型別（氫）是一個電子圍繞由單個質子組成的原子核執行。

電子軌道殼層

在熒光中的實驗表明，當電磁輻射（如光）被原子吸收時，電子會上升到更高的能級。隨後，它們下降到自然能級並釋放能量作為光子。這就是為什麼材料在加熱時會發光，為什麼放射性材料在受到伽馬或 X 射線電磁輻射時會發光。科學家可以測量這種情況下釋放的光子的能量，尼爾斯·玻爾認為，釋放的能量似乎與軌道殼層的距離有關，以普朗克長度為單位的微小單位進行測量。尼爾斯·玻爾開發了一個模型來解釋每個軌道殼層如何出現以容納越來越多的電子，以及越來越多的質子。

可以這樣理解電子軌道層：它們就像一把尺子上的刻度。電子必須從這些離散的刻度中繞原子核旋轉，這些刻度之間用普朗克長度（理論上可能的最小距離單位）測量。為了驗證這一想法，科學家用高能光激發原子，並測量原子發射的電磁輻射量。當電子吸收光時，它們會以離散的普朗克長度向上移動刻度，但它們也會向下移動一個刻度並釋放光子，在此過程中發射電磁輻射，直到它們停留在由原子核中相同數量的質子支援的刻度上。

這種效應被稱為光電效應。阿爾伯特·愛因斯坦於1921年因證明電磁輻射的頻率透過普朗克常數的倍數激發電子以確定能量輸出而獲得了諾貝爾獎。

因此，E = hv，其中E是能量，用焦耳測量，h是普朗克常數，v是電磁輻射的頻率。我們可以使用v = c / λ，其中c是光速，λ是波長來確定不同光波長的頻率v，發現波長越短，能量越大。

當電子透過吸收更多電磁輻射向上移動到遠離原子核的刻度時，它們最終會變得非常興奮，以至於它們可以完全擺脫原子核併成為自由電子（電力）。這在金屬材料中尤其常見，金屬材料與軌道電子之間的連線較鬆散，但理論上可以發生在任何型別的材料上，前提是材料受到足夠的電磁輻射。這就是物質被加熱時發生的情況，電子在能量狀態中向上移動，導致原子振動，這些振動以電磁輻射的形式傳遞到周圍粒子，它們的電磁能量膨脹。這就是為什麼隨著溫度升高和壓力降低，物質密度會降低，體積會從固體膨脹到液體，再到氣體，最終當能量足夠高時，電子會從原子核中釋放出來，形成等離子體，即自由流動的電子或電力。

電子圍繞原子核旋轉的這些刻度集中在特定的穩定軌道層上，使得電子的數量正好與原子核內的質子數量匹配，並按照順序填充軌道層。穩定軌道層構成了你在許多教室中看到的元素週期表的組織結構。

可以將這些穩定軌道層想象成一把尺子上的離散刻度，尺子上的每個“釐米”代表電子層中的一個軌道距離。可能存在更小的單位，例如毫米，最小單位用普朗克長度測量。科學家渴望測量原子內的這些微小距離，但發現這不可能，因為電子不像圍繞太陽旋轉的行星，而是像振盪波一樣形成圍繞這些離散穩定距離的機率函式。因此，無法預測電子在這些從原子核到刻度距離上的確切位置。這就是著名的海森堡不確定性原理，該原理指出，無法同時精確測量電子的位置和速度。從某種意義上說，這是有道理的。電子就像光子一樣圍繞原子核以光速旋轉，並且像振盪波一樣，這使得無法測量電子在其圍繞原子核軌道上的特定位置。對原子結構的研究，例如，被稱為量子物理學。

薩特延德拉·納特·玻色讀過愛因斯坦關於該主題的著作，並注意到愛因斯坦在光電效應計算中存在一些數學錯誤。玻色提出了一種新的解決方案，並請愛因斯坦將其作品翻譯成德語以供發表。愛因斯坦慷慨地同意了，玻色的論文發表了。愛因斯坦和玻色將這一新的解決方案用於解決當原子受到開爾文勳爵的極低溫度絕對零度影響時，這些電子軌道會發生什麼的問題。

愛因斯坦在玻色的引導下提出，電子軌道距離將坍縮，向下移動到普朗克尺度上可能的最低刻度。這種微小的距離阻止了原子坍縮，被稱為零點能。奇怪的是，無論原子包含多少質子或電子，在這些極低溫度下，所有原子都會導致電子以類似的方式坍縮到最低刻度。

此時，原子成為一種新的物質狀態，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態。玻色-愛因斯坦凝聚態具有某些奇特的性質。首先，它是一種超導體，因為電子與原子核的結合非常弱，其次，除了氦之外的所有元素都成為固體，最奇怪的性質是，這種狀態下所有原子都會表現出相同的化學性質，因為電子非常靠近原子核，並且它們佔據了最低的軌道層。

氦在常溫常壓下是一種氣體，具有兩個質子和兩個電子。當它在真空中冷卻到絕對零度時，它仍然保持液體狀態，而不是像所有其他元素那樣成為更緻密的固體，只有在新增額外壓力時，氦才會最終變成固體。它是唯一具有這種特性的元素，所有其他元素在絕對零度下都會變成固體。這是因為電子軌道中的零點能足以使氦在接近絕對零度的溫度下仍然保持液體狀態。1995年，科羅拉多大學的兩位科學家埃裡克·康奈爾和卡爾·威曼超級冷卻了銣-87，在實驗室中首次產生了玻色-愛因斯坦凝聚態的證據，這使他們獲得了2001年的諾貝爾獎。此後，許多其他實驗室一直在對玻色-愛因斯坦凝聚態進行實驗，將電子推離原子核僅一步之遙。

當原子受到強烈的熱量和壓力影響時會發生什麼？電子將向上移動這些刻度，直到它們距離原子核足夠遠，離開原子併成為等離子體，即自由電子的流動。因此，在高壓和高溫下首先發生的是自由流動的電子產生電力。如果壓力和溫度繼續升高，質子將轉化為中子，釋放光子作為伽馬射線和中微子。這種核聚變是產生太陽等恆星核心能量的過程。如果中子受到更大的壓力和溫度影響，它們會形成黑洞，這是宇宙中最神秘的物質形式。

科學的前沿之一是極小的普朗克長度與宇宙膨脹的聯絡，宇宙膨脹是由哈勃常數確定的。描述這種關係的一種方法是想象一個物質結構，它在單個原子層面上被拉開（膨脹），導致宇宙膨脹。對科學這一方面的研究被稱為宇宙學。

原子

電子

在化學中，電子通常被認為是原子最重要的方面，因為它們決定了原子如何結合在一起形成分子。然而，電子可以在原子之間移動，甚至形成等離子體。在化學中，可能更重要的是原子核內質子的數量。

質子

原子核內質子的數量決定了元素的名稱。因此，所有具有1個質子的原子被稱為氫，具有2個質子的原子被稱為氦，而具有3個質子的原子被稱為鋰。原子中的質子數量稱為原子序數 (Z)。每個元素都由其原子序數進行分類，原子序數出現在元素週期表的頂角，以及每個元素的化學符號。前26個元素是在早期原太陽中透過聚變形成的，而原子序數大於26的元素是在超新星事件中形成的，原子序數大於94的元素在自然界中不存在，必須在實驗室中合成。以下是截至2020年的元素列表，列出了元素的原子序數和名稱。

在太陽中透過聚變形成的元素

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

在更大的原太陽中透過聚變形成的元素

9-氟 (F)
10-氖 (Ne)
11-鈉 (Na)
12-鎂 (Mg)
13-鋁 (Al)
14-矽 (Si)
15-磷 (P)
16-硫 (S)
17-氯 (Cl)
18-氬 (Ar)
19-鉀 (K)
20-鈣 (Ca)
21-鈧 (Sc)
22-鈦 (Ti)
23-釩 (V)
24-鉻 (Cr)
25-錳 (Mn)
26-鐵 (Fe)

在超新星事件中形成的元素

27-鈷 (Co)
28-鎳 (Ni)
29-銅 (Cu)
30-鋅 (Zn)
31-鎵 (Ga)
32-鍺 (Ge)
33-砷 (As)
34-硒 (Se)
35-溴 (Br)
36-氪 (Kr)
37-銣 (Rb)
38-鍶 (Sr)
39-釔 (Y)
40-鋯 (Zr)
41-鈮 (Nb)
42-鉬 (Mo)
43-鎝 (Tc)
44-釕 (Ru)
45-銠 (Rh)
46-鈀 (Pd)
47-銀 (Ag)
48-鎘 (Cd)
49-銦 (In)
50-錫 (Sn)
51-銻 (Sb)
52-碲 (Te)
53-碘 (I)
54-氙 (Xe)
55-銫 (Cs)
56-鋇 (Ba)
57-鑭 (La)
58-鈰 (Ce)
59-鐠 (Pr)
60-釹 (Nd)
61-鉕 (Pm)
62-釤 (Sm)
63-銪 (Eu)
64-釓 (Gd)
65-鋱 (Tb)
66-鏑 (Dy)
67-鈥 (Ho)
68-鉺 (Er)
69-銩 (Tm)
70-鐿 (Yb)
71-鎦 (Lu)
72-鉿 (Hf)
73-鉭 (Ta)
74-鎢 (W)
75-錸 (Re)
76-鋨 (Os)
77-銥 (Ir)
78-鉑 (Pt)
79-金 (Au)
80-汞 (Hg)
81-鉈 (Tl)
82-鉛 (Pb)
83-鉍 (Bi)
84-釙 (Po)
85-砈 (At)
86-氡 (Rn)
87-鍅 (Fr)
88-鐳 (Ra)
89-錒 (Ac)
90-釷 (Th)
91-鏷 (Pa)
92-鈾 (U)
93-錼 (Np)
94-鈽 (Pu)

實驗室合成的非天然元素

95-鋂 (Am)
96-鋦 (Cm)
97-鉳 (Bk)
98-鉲 (Cf)
99-鑀 (Es)
100-鐨 (Fm)
101-鍆 (Md)
102-鍩 (No)
103-鐒 (Lr)
104-釒盧 (Rf)
105-釒杜 (Db)
106-釒喜 (Sg)
107-釒波 (Bh)
108-釒黑 (Hs)
109-釒麥 (Mt)
110-釒達 (Ds)
111-釒倫 (Rg)
112-鎶 (Cn)
113-鉨 (Nh)
114-鈇 (Fl)
115-鏌 (Mc)
116-鉝 (Lv)
117-鎦 (Ts)
118-鿫 (Og)

瀏覽這些名稱，你會發現既有熟悉的元素，例如氧氣、氦氣、鐵和金，也有不常見的元素。你可能第一次聽說銦、鎝、鋱和鈥。這是因為每種元素在地球上的丰度不同，有些元素比其他元素多幾個數量級。例如，原子序數最高的元素是118號元素鿫，它在2016年正式命名，非常稀有，科學家只報道過5到6個原子。這些元素非常稀有，因為隨著原子核中質子數量的增加，原子變得越來越不穩定。

原子中，如果有兩個或多個質子，需要額外的中子來克服它們之間的排斥力。質子帶正電，會吸引帶負電的電子，但這些正電荷也會讓質子互相排斥。中子的加入有助於穩定原子核，使多個質子能夠共存於原子核中。一般來說，原子中包含的質子越多，原子就越不穩定，導致放射性衰變。這就是為什麼原子序數較大的元素，例如釷 (90)、鈾 (92) 和鈽 (94) 是放射性的。科學家推測，可能存在原子序數大於118的元素，這些元素可能是穩定的，但目前尚未發現。另一個重要的事實是，與電子不同，質子具有原子質量。當你學習科學家如何確定固體、液體和氣體中實際存在的元素型別時，就會再次遇到這個重要的事實。

中子

原子的最後一個組成部分是中子。中子和質子一樣具有原子質量，但沒有電荷，因此在電荷方面與電子呈中性。中子在恆星中透過質子融合形成，但也可能在核裂變過程中原子的β衰變過程中出現。與質子不同的是，質子可以是自由的，並且在沒有電子和中子的情況下保持穩定（例如氫離子）。自由中子在地球上很快就會衰變成質子，幾分鐘內就會衰變。這些自由中子是透過較大元素的β衰變產生的，但中子在最緻密的恆星核心內部是穩定的，這些恆星能夠透過其巨大的引力加速將中子束縛在最大型別的恆星內部；中子星。中子在地球上幾乎完全存在於原子中，與質子並存，使包含多個質子的原子更穩定。質子和中子是原子核中唯一的原子粒子，也是唯一對原子質量有貢獻的原子粒子。

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