原子結構像行星?每一顆粒子都像星球?你可能還不懂微觀粒子

記得上學的時候,老師講原子結構模型,講到瞭盧瑟福的行星模型。

那個時候,我已經開始讀天文的書籍瞭。當時我就在想,這個行星模型還真的是很形象,二者非常相似。那個時候,我就有瞭一個自以為很高級的想法……

盧瑟福的模型裡,原子和天體有多像

在盧瑟福的原子模型裡,原子的形象和太陽系簡直太像瞭。

原子結構像行星?每一顆粒子都像星球?你可能還不懂微觀粒子

首先,太陽系內,行星圍繞著恒星公轉;在他的模型裡,電子圍繞著原子核公轉。

在原子內部,原子核占據瞭絕大部分質量,而電子僅僅占瞭一點點質量,而二者所占的空間僅僅是整個原子的幾千億分之一,其餘絕大部分空間什麼都沒有;在太陽系,太陽也占據瞭99.86%的總質量,行星的質量同樣微不足道,而且太陽系的絕大部分空間,同樣是什麼都沒有,空蕩蕩一片。

後來,又學習瞭電子的自旋,覺得好像和行星的自轉有點相似。

然後我的心裡有瞭一個大膽的想法:難道時空本來就是循環的,天體縮小到一定程度、其實和微觀粒子一樣?

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後來上網瞭解瞭一下,發現和我有同樣想法的人,還挺多的。當時一度還有點遺憾,覺得自己不是天底下唯一聰明的。不過,再研究研究,發現自己隻是一群還沒真正明白原子結構的人之一……

原子到底長啥樣

雖然別人是怎麼搞的我不清楚,但可以肯定的是,我在學到行星模型的時候,自主忽略瞭教材上講解的更新的模型。其實,盧瑟福的行星模型,原本就是不準確的。

實際上,在盧瑟福於1911年提出行星模型之後僅僅兩年,玻爾就提出瞭他的玻爾模型。1926年,薛定諤更進一步,提出瞭電子雲模型(顯然當時被我就著飯吃瞭)。

目前我們知道,雖然原子核在內,占據瞭絕大部分質量、電子在外,圍繞原子核運動的情況符合盧瑟福的推測,但是其他內容就不一樣瞭。

首先,電子並非是圍繞著原子核公轉的,而是隨機出現的。我們雖然還把電子所在的位置稱為“軌道”,但實際上和我們理解的軌道完全不一樣,隻是大傢習慣並沿用瞭這個說法而已。更準確地理解,就是電子雲的概念。

所謂的電子雲,是電子在某個位置出現的概率的形象表示。而電子在所屬的能級上,作著沒有任何規律的運動。

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而且,電子的自旋,雖然被比作是物體的自轉,但實際上是完全不同的概念。乍看一眼,你以為自旋是一個動作,但是,它其實更應該被看作是一種內在屬性,一個和角動量相關的、引起磁場的屬性。不論一個電子如何運動、是否旋轉,即使完全不動,它依然有自旋,其他很多粒子也都有自旋。因此,微粒的自旋和天體的自轉,本身就是完全不同的概念。

至此我們發現,僅僅就電子來說,就有兩個誤導人的概念——軌道和自旋。

同時,原子核的結構,和天體也不一樣啊。原子核內部還有質子和中子,二者又是由誇克組成的。目前即使是人造的原子,最多也隻能容納118個質子。而天體內部,是由海量的微粒構成的。從內部結構來說,也不一樣。

為啥會誤解

那麼問題來瞭,既然二者本身差別這麼明顯,為啥還有人誤會呢?

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從邏輯學上講(大概屬於邏輯學吧),這就是搞混瞭邏輯順序瞭。對於盧瑟福本人來說,他是受到瞭天體運行的啟發,才提出行星模型的。而對於我們來說,我們在心裡為行星模型提供的證據,實則本來就是盧瑟福本人的推測而已。也就是說,我們認為二者相似的證據,本身就靠不住。

這麼說,可能大傢有點混亂,咱們用一個不太恰當但是還算比較形象的例子來比喻一下:

假如你走在路上,看見地上躺著一個老頭,旁邊站著很多人,他們都指責A把老頭撞倒,然後你義憤填膺地走上去,一起指責A。但事實是,真正撞人的肇事者已經跑瞭,A隻是來扶老頭的。

我們就像這裡後來的人一樣,和前面的人持同樣的觀點。但是,觀點本身,也隻是前面人的推測,並不一定真實。因此,這才導致瞭我們對原子結構的誤解。

不止我們會誤解

當然,大傢也不必為此煩惱,覺得自己邏輯有問題。實際上,科學傢們有時候也會犯這樣的錯誤。

比如最著名的,就是關於宇稱守恒的問題。在上個世紀中葉,當所有的科學傢都堅信一切物理定律都守恒的時候,卻沒有一個人對宇稱守恒提出質疑。

正是這樣的誤區,導致大傢被懵逼瞭雙眼,最終造就瞭楊振寧和李政道,一舉拿下瞭諾貝爾獎。因為,當他們在審視宇稱守不守恒的時候,發現從來沒有人質疑過這個問題,他們根本就沒有做任何實驗,就默認瞭宇稱是守恒的。

原子結構像行星?每一顆粒子都像星球?你可能還不懂微觀粒子

(關於宇稱不守恒的問題,我們以後有機會再介紹)

看,連物理學傢都會走入誤區,何況我們呢?

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