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、宇宙的結構以及物質的極端形式

如果你將水 (H₂O) 暴露於開爾文勳爵預測的絕對零度，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下，會發生什麼？如果你將水 (H₂O) 暴露於極高的溫度和壓力下，比如宇宙中最稠密恆星的核心中，會發生什麼？

這些問題的答案可能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條件下的新物質狀態。這些額外的物質狀態存在於所有相圖的極端端點；在可觀測溫度和壓力的極限範圍內。物質在相圖的角落表現出奇怪的行為。然而，這些新的物質形式是在近一個世紀前被發現的，這是由兩位生活在地球兩端不同地區的科學家之間獨特的合作預測的。

作為七個妹妹中最大的男孩，薩特延德拉·納特·玻色在印度熙熙攘攘的加爾各答市長大。他的家庭條件很好，因為他的父親是一名鐵路工程師，是生活在孟加拉總統的上層印度教社會成員。玻色在數學方面表現出天賦，並作為一名教師迅速晉升，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，並將其作品從英語翻譯成印地語，並開始與阿爾伯特·愛因斯坦通訊。當他在印度向他的班級講授普朗克常數和黑體輻射器時，他偶然發現了一個獨特的認識，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。

你可能還記得普朗克常數與光或能量擊中物質的方式有關，光或能量在理想黑體輻射器中被吸收或輻射。在 1900 年，馬克斯·普朗克使用了他的常數 ( $h$ ), 並計算出電磁輻射的最小光子波長間距離。該公式為

{\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，即 ℏ，等於 h 除以 2π。G 是亨利·卡文迪許對重力的計算結果，G= 6.67408x10⁻¹¹ 米³/千克秒²，而 c 是真空中的光速，為每秒 299,792,458 米。

這個長度被稱為普朗克長度。它是理論上最高能量電磁輻射可能存在的最小波長間距離。它還與原子內電子之間理論上的最小距離有關。目前計算出的普朗克長度為 1.6 x 10^-35 米，這是一個難以置信的小數字，因為小數點前面有 35 個零，或者說長度為 0.000000000000000000000000000000000016 米。

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·玻色也瞭解一個新的原子模型，該模型是由丹麥科學家尼爾斯·玻爾提出的，他認為原子類似於太陽系的排列方式，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）是一個圍繞由單個質子組成的原子核執行的單個電子。

電子軌道殼

熒光實驗表明，當電磁輻射（如光）被原子吸收時，電子會躍遷到更高的能級。它們隨後回落到自然能級，並以光子的形式釋放能量。這就是為什麼材料在加熱時會發光，以及為什麼放射性材料在受到伽馬射線或 X 射線電磁輻射照射時會發光的原因。科學家可以測量這種現象發生時作為光子釋放的能量，尼爾斯·玻爾提出，釋放的能量似乎與以普朗克長度為單位測量的微小單位的軌道殼距離有關。尼爾斯·玻爾開發了一個模型，解釋了每個軌道殼如何似乎容納越來越多的電子，以及越來越多的質子。

可以將這些電子軌道殼層想象成一把尺子上的刻度。電子必須從這些離散的刻度之一或更多刻度上繞著每個原子的原子核運動，這些刻度之間相隔的距離以普朗克長度測量，普朗克長度是理論上可能的最小距離測量單位。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，在這個過程中發射電磁輻射，直到它們落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 年憑藉證明電磁輻射的頻率是透過普朗克常數的倍數激發電子的因素來決定能量輸出而獲得了諾貝爾獎。

因此，E = hv，其中 E 是用焦耳測量的能量，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的 v，發現波長越短，能量越高。

當電子透過吸收更多電磁輻射而向上移動刻度，遠離原子核時，它們最終可能會變得如此興奮，以至於它們可以完全脫離原子核併成為自由電子（電）。這在金屬材料中尤為常見，因為金屬材料與軌道電子之間的連線較鬆散，但理論上可以在任何型別的材料中發生，只要對物質施加足夠的電磁輻射。這就是物質被加熱時發生的事情，電子在能量狀態下向上移動，導致原子發生抖動，這會以電磁輻射的形式作用於周圍的粒子，它們的電磁能量會膨脹。這就是為什麼隨著溫度升高和壓力降低，物質的密度會降低，體積會從固體膨脹到液體，再到氣體，最終會有足夠的能量使電子從原子核中釋放出來，並導致形成等離子體，即自由流動的電子或電流。

電子繞原子核運動的這些刻度集中在某些穩定的軌道殼層上，使得電子的數量與原子核內的質子數量完全匹配，並按順序填充軌道殼層。穩定的軌道殼層構成了您在許多教室中看到的元素週期表的組織形式。

可以將這些穩定的軌道殼層想象成一把尺子上的離散刻度，這把尺子上的每個“釐米”代表電子殼層中的一個軌道距離。可以有更小的單位，比如毫米，最小的單位是以普朗克長度測量的。科學家渴望測量原子內的這些微小距離，但發現這是不可能的，因為電子不像繞著太陽執行的行星那樣，而是像振盪波一樣，在這些離散的穩定距離周圍形成機率函式。因此，不可能預測電子沿這些刻度距離從原子核移動的準確位置。這被稱為海森堡不確定性原理，該原理指出，電子位置和速度不能同時精確測量。從某種意義上說，這是有道理的。電子像光子一樣繞著原子核以光速執行，並作為振盪波，因此無法測量電子在其繞原子核執行的軌道內的特定位置。對原子結構的研究，如量子物理學，被稱為量子物理學。

薩特延德拉·納特·玻色已經閱讀了愛因斯坦關於這一主題的著作，並注意到愛因斯坦在光電效應計算中存在一些數學錯誤。玻色提供了一個新的解決方案，並請愛因斯坦將這篇論文翻譯成德語以供發表。愛因斯坦慷慨地同意了，玻色的論文得以發表。愛因斯坦和玻色將這一新解決方案應用於原子受到開爾文勳爵極低溫度絕對零度時這些電子軌道的行為問題。

愛因斯坦在玻色的啟發下提出，電子軌道距離將坍縮，向下移動到普朗克尺度上儘可能低的刻度。這個微小的距離阻止了原子的坍縮，被稱為零點能。奇怪的是，所有原子，無論它包含多少個質子或電子，都會導致電子在這些極低溫度下坍縮到最低刻度。

此時，原子變成了物質的一種新的狀態，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態。玻色-愛因斯坦凝聚態具有一些奇怪的特性。首先，它是超導體，因為電子與原子核之間的結合力很弱，其次除了氦之外的所有元素都變成了固體，最奇怪的特性是，處於這種狀態的所有原子都將表現出相同的化學性質，因為電子離原子核很近，它們佔據了最低軌道殼層。

氦在正常的室溫下和壓力下是氣體，它有兩個質子和兩個電子。當它在真空中被冷卻到絕對零度時，它仍然保持液態，而不是像其他所有元素一樣變成密度更大的固體，只有在施加額外的壓力後，氦才會最終變成固體。它是唯一具有這種性質的元素，所有其他元素在絕對零度下都變成了固體。這是因為電子軌道的零點能足以使氦在接近絕對零度的溫度下仍然保持液態。1995 年，科羅拉多大學的兩位科學家埃裡克·康奈爾和卡爾·維曼將銣-87 超級冷卻，在實驗室中首次產生了玻色-愛因斯坦凝聚態的證據，這使他們在 2001 年獲得了諾貝爾獎。從那時起，許多其他實驗室一直在進行玻色-愛因斯坦凝聚態的實驗，將電子推向原子核的邊緣。

當原子受到強烈的熱量和壓力時會發生什麼？電子將向上移動這些刻度，直到它們離原子核足夠遠，從而離開原子併成為等離子體，即自由電子流。因此，在高壓和高溫下首先發生的事情是，由於這些自由電子的自由流動而產生電流。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。這種核聚變產生了恆星核心（如太陽）中的能量。如果中子受到更大的壓力和溫度，它們將形成黑洞，這是宇宙中最神秘的物質形式。

科學前沿之一是極小的普朗克長度與宇宙的觀測膨脹（由哈勃常數確定）之間的聯絡。描述這種關係的一種方法是想象一塊物質的織物，它在單個原子層面上被拉開（膨脹），導致宇宙膨脹。對科學這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。也許在化學中更重要的是原子核內質子的數量。

質子

原子核中質子的數量決定了元素的名稱。例如，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。原子中質子的數量被稱為原子序數 (Z)。每個元素都由其原子序數分類，原子序數出現在元素週期表中每個元素的化學符號的右上角。前 26 種元素是在早期原太陽中透過核聚變形成的，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。

在太陽中透過核聚變形成的元素

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核聚變形成的元素

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)

在實驗室中合成的非天然元素

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-釒 copernicium (Cn)
113-釒 nihonium (Nh)
114-釒夫 (Fl)
115-釒莫 (Mc)
116-釒利 (Lv)
117-釒 tennessine (Ts)
118-釒 oganesson (Og)

閱讀這些名稱，你會發現既有熟悉的元素，如氧氣、氦、鐵和金，也有不常見的元素。這可能是你第一次聽說銦、鎝、鋱和鈥。這是因為每種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幾個數量級。例如，原子序數最高的元素，元素 118 鿫，在 2016 年正式命名，非常罕見，科學家只報道了 5 到 6 個單原子。這些元素非常稀有，因為原子核中質子的數量越多，原子越不穩定。

具有兩個或多個質子的原子需要額外的中子來克服兩個或多個質子之間的排斥力。質子帶正電荷，會吸引帶負電荷的電子，但這些正電荷也會將質子彼此推開。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，原子包含的質子越多，原子越不穩定，導致放射性衰變。這就是為什麼原子序數較大的元素，如 90 號的釷、92 號的鈾和 94 號的鈽具有放射性。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，但到目前為止還沒有發現。另一個重要的事實是，與電子不同，質子具有原子質量。當您學習科學家如何確定固體、液體和氣體中實際包含哪些型別的元素時，將再次回顧這個重要事實。

中子

原子的最後一個組成部分是中子。中子與質子一樣具有原子質量，但沒有電荷，因此在電學方面對電子來說是中性的。中子在恆星中透過質子的核聚變形成，但也可能在核裂變過程中原子的β衰變中出現。與質子不同，質子可以是自由的，並且在沒有電子和中子的情況下是穩定的（如氫離子）。自由中子在地球上幾分鐘內就會迅速衰變成質子。這些自由中子是透過較大元素的β衰變產生的，但在最稠密的恆星的核心內，中子是穩定的，這些恆星能夠將其在最大型別恆星中巨大的引力加速度內聚集在一起；中子星。中子在地球上幾乎完全存在於原子中，靠近質子，增加了具有一個以上質子的原子的穩定性。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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