原子内部99.999%都是空的,为什么墙壁不能穿透过去?

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粒子物理学告诉我们,不管是坚硬的墙壁,还是柔软的棉花,或者透明的水,它们都是由三种粒子构成:质子、中子和电子。质子和中子构成了原子核,电子在外围绕核运动,由此构成了原子,这是组成宏观物质的基本结构。

不过,原子并非实心结构,它们就像太阳系那样,内部空间是空荡荡的。如果把原子的大小比作一座大型球场,那么,原子核就如同球场中心的一粒米。而电子的尺寸更是远远小于原子核,相差几万倍。

因此,原子的内部十分空旷,多达99.999%的空间都是空的。既然如此,为什么原子结构不会坍缩?为什么会有固态的物质?为什么墙壁不能穿透过去?

质子带正电,中子呈电中性,所以原子核带正电。另一方面,电子带负电。带有相反电荷的原子核和电子之间会相互吸引,它们之间存在库仑力作用。

在太阳系中,行星绕太阳运动是由太阳引力来维持的。然而,电子在原子核周围的运动并不是由库仑力来维持的,电子的绕核运动与行星的绕太阳公转完全不一样。

如果电子的绕核运动类似于太阳系,那么,在电子运动过程中,它们会向外辐射出电磁波,导致能量损失,电子很快就会掉进原子核中。但事实上,电子一直在原子核之外,只有中子星那样的极端天体才能把电子挤压到原子核中。

之所以原子没有坍缩,是因为电子的运行轨道不是任意的,而是具有特定能级的量子轨道,电子的运动不会消耗能量。只有当电子从高能级轨道跃迁到低能级轨道时,才会释放出能量。

并且,电子的绕核运动并不是经典物理学中的圆周运动。根据不确定性原理,电子绕核运动的速度和位置不能被同时测量出来,只能知道它们出现在某个位置的概念,这可以被描绘成“电子云”。

至于为什么空荡荡的原子可以组成固体,并且不能穿墙而过,可以想象一下这样的例子:电风扇不转动的时候,扇叶之间是空荡荡的,可以伸过去一根棍子;如果开启电风扇,扇叶快速转动起来,棍子伸过去就会被扇叶拍打到。

同样的道理,原子核周围的电子云占据着很大的空间,原子并非真正意义上空荡荡的。大量原子通过电磁力结合在一起,它们的内部并非是空的,就能形成固态的物质。

事实上,由于电子云的存在,我们根本无法接触到任何东西。当不同的物体试图接触时,它们的电子云之间会产生强大的排斥力,使得原子之间并没有真正接触到。

另外,根据量子力学,穿墙而过是有可能实现的。如果组成人的所有原子同时发生量子隧穿效应,人就有可能从墙的一边穿到另一边。然而,人身上的5000亿亿亿个原子同时发生量子隧穿效应的概率极低。据估计,一个人穿过厚度为1米的墙壁,概率只有1/10^(10^35),近乎为零。

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