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孟胜:原子的故事——解读原子的奥秘【云里·悟理-第8课】


第八课



原子的故事——解读原子的奥秘

主讲人

《云里 · 物理》系列微课简介


上节课我们学习了一些原子的基本知识,这节课我们将认识原子是由什么组成的,而且有没有一些奇怪的、不同于我们所熟悉的原子的粒子。

原子的“身高”和“体重”

01


世界万物由原子组成,那么原子有哪些基本性质呢?

原子的性质

原子有确定的大小,它的大小大概是一个Å,也就是10-10米。这里说的是原子中电子轨道的大小,而不是原子核的大小——原子核的大小要比这个小得多得多。

原子有确定的质量,也就是所谓的相对原子质量。这里有一个简单的规则:只要数一数原子里面有多少个质子和中子,它的相对原子质量就是多大,因为原子的质量都集中在质子和中子上面。比如碳有6个中子、6个质子,那么它的相对原子质量是12。

为了联系微观和宏观,人们采用“阿伏加德罗常数”来联系宏观和微观的质量。阿伏加德罗常数也称为一个摩尔的原子数,它大概是6×1023 个。也就是说,1摩尔的碳原子,它是多重呢?6×1023个碳原子,它的质量是12克,那么单个原子的质量也就很容易得出了。

原子有多少种类?如果按原子中的质子的数目来分,大概有100多种——这就是我们所熟知的100多种元素;如果按照原子中的中子数再把它细分,大概有近千种——也就是几百种不同元素的同位素。

原子另外一个很重要的性质,就是会发光,而且会发出特定的光。

原子光谱

比如把一小粒食盐放在火上去烧,我们很容易就看到黄色。这是因为食盐中的钠离子,它的特征发光能够产生两道明亮的黄线。不同的元素会发出不同的光,这样我们不仅可以证实物体中这种原子的存在,而且可以明确地指出来它是哪种原子。就好比指纹,它可以用来鉴别物质的成分。

数学形式的原子

02


根据原子发光的性质,人们对原子的基本构成又有更深入的理解。这个方面的先驱是玻尔。玻尔在思考“原子为什么会发光”、“为什么会发特定的光”的时候,提出了所谓的玻尔原子模型。他认为原子之所以发光,是因为原子中的电子具有确定的轨道,电子在不同的轨道之间跃迁,就会发射出能量等于这两个轨道能量差的光线来。

波尔原子模型

轨道能量的公式是

轨道半径的公式是

它们都有非常确定的数学关系,这是玻尔的主要的贡献。但是玻尔的原子模型仍然是比较粗略的,并不太精确,甚至有很多的问题。比如说“为什么电子就会待在确定的轨道上,而不会辐射电磁波,不会变得不稳定”,玻尔并没有解决这些问题。

进一步的发展建立在20年代,人们建立的量子力学的基础之上。根据量子力学——现在我们所知的最精确的理论——我们能够确切地了解每个原子周围电子的分布情况。电子是按照轨道分布,而且一个轨道上有确定的能量、确定的动量、确定的数目,甚至还有一些特别的空间分布,比如说电子在原子周围的分布。

量子力学模型

而了解原子的性质,只需要通过量子力学的薛定谔方程。

薛定谔方程

这个方程虽然看起来复杂,但是它是可以计算求解的。所以有了量子力学,我们完全可以用数学的方式来理解原子的性质,而且得到和实验观测非常一致的结论。这是当前对原子最重要的认识。

用数学的办法来理解这些原子的性质,就会产生我们所熟知的元素周期表。元素周期表是实验规律的总结,但是因为现在对原子的性质了解得如此透彻,我们完全可以用数学的方法来理解所有原子的性质。用量子力学加上数学解法,我们可以知道元素周期表中每一个元素的性质。

元素周期表

原子变身术

03


原子另外一方面的性质就是它的稳定性。小原子是非常稳定的,但是当原子变大了之后,它也可以变得不太稳定。比如说很重的铀元素,它在一段时间内会分裂成两个原子——钡和氪,同时产生一些中子。如果这些中子被别的原子核俘获,就会引发别的原子核继续分裂,产生更多的中子。所以一个原子分裂,导致其他原子分裂,最终导致更多的原子分裂,这就是链式反应,也就是核裂变。核裂变产生了原子弹 ,产生了原子反应堆,这种发电的新技术是我们能源的主要来源之一。

核裂变反应

核聚变反应

链式反应

除了核裂变,原子还可以通过碰撞来组合成更重的元素。比如氘核和氚核,它们都是氢的同位素,如果这两个原子高速碰撞,它们就会产生一个氦原子核,同时也产生一个中子。这个过程当中有一部分质量损失了,转化成巨大的能量。核聚变也可以作为能源的来源,比如太阳中的能量都是来自于核聚变。但是人类和平利用这种聚变的能量的目标还没有实现。

原子家族的怪物

04


除了由电子和质子、中子组成的原子核,世界上其实还有一些其它的奇怪一点的原子。在这方面,大家都很熟悉的是所谓的反物质的原子。原子核周围有很多的电子,电子是带负电的粒子,在平面电容器里面会偏转。但是有一类电子,它不仅不带负电,反而带正电;它在平板电容器中会产生相反方向的偏转。这就是所谓的正电子。

反物质原子

正电子最初来自于英国科学家狄拉克的一个理论预言。他是在用量子力学来理解原子性质的时候,发现必须有一种解——要产生带正电的电子。他把这种电子叫做正电子,正电子后来在实验上得到了证实。

如果一个正电子、一个反质子和反中子组成一个新的原子,那这个原子就是反物质的原子。反物质的原子和正常的原子相比,它的外层是带正电的,而原子核是带负电的,这非常奇怪。就好比这个原子在照镜子一样,产生了相反的世界,它和正常的原子相遇会湮灭放出巨大的能量。

除了这种由普通的电子和质子组成的原子,还可以有别的原子。比如电子除了被正电子所替代,还可以由μ子来替代。μ子的性质和电子的性质非常相似,但是两者静止质量相差210倍左右。也就是说,μ子围绕质子运转形成的新的原子,它的大小会比正常的原子小很多。μ子也可以用在探测很多的物质成分上,变得非常有用。

μ子原子

除了这些反物质原子、μ子原子,可能还有一些更奇怪的原子,比如说我们都熟悉的中子星。中子可以认为是0号元素,因为它不带任何的质子。而整个星体全由中子组成,可以认为是一个巨大的原子核,它不带任何正电,所以也不需要任何负电子,它本身就可以当成一个孤立的、单个的原子。这是一个非常奇怪的原子,在宇宙空间已被证实存在。

从原子到基本粒子

05


刚才提到不仅有电子、质子、中子,还有些奇怪的粒子,比如说μ子和中微子等等这些稀奇古怪的粒子。但是这些粒子到底有多少?有哪些性质?是怎么样的?

过去的几十年,人们获得了大量关于粒子的知识,探测这些粒子通常是通过所谓的云室。一个盒子里面充满了水蒸气,这些粒子通过这些水蒸气的时候,会产生气泡。根据这些气泡我们就可以判断这些粒子的轨迹,从而可以推出这些粒子的带电量、质量等等基本的性质。

云室

根据云室以及其他的一些手段,人们发现宇宙间奇怪的粒子太多了。除了μ子、中微子,还有τ粒子,还有各种强子、各种介子。

这些丰富多样、各种各样的粒子组成了一个巨大的家族。粗略来说可以分为两大类,一类是玻色子,自旋的状态为整数;另外一类称为费米子,自旋状态为半整数。玻色子包括光子、W粒子、Z粒子;费米子包含强子和轻子。轻子是类似于电子的粒子,它们的质量可能与电子不太一样,但是其他性质都非常相似,比如说都带一个负电荷;强子又分为重子和介子,介子一般是质量比重子略小的粒子。

粒子家族

这些基本粒子有各式各样的确定的性质。比如不同的粒子,它们会有不同的确定的质量,特定的电荷,特定的自旋。它们甚至有一些奇怪的性质,比如所谓的宇称。宇称是指粒子内部的空间分布以及同位旋、质子数和中子数等这些性质。了解了这些粒子,我们就进入了所谓的亚原子的世界。

亚原子世界:

夸克的“色”与“味”

06


刚才已经提到原子(比如碳原子)是由电子和原子核组成,原子核是由质子和中子组成。那一个质子是怎么组成的?

亚原子世界

一个质子,人们认为是有三个小颗粒,这三个小颗粒称为夸克,有时候也叫部分子。这些夸克之间通过一种相互作用的粒子——胶子——来联系在一块形成一个整体。夸克和电子的性质比较类似,但是它带的电荷是分数个电荷。三个夸克组合在一块可能不带电,也可能带一个电荷。举个例子:氦原子核。它的外层有两个电子,但是原子核内部是由两个质子和两个中子组成,每个质子和中子都是由三种夸克和很多的胶子构成。

夸克和胶子

我们发现夸克有非常特别、非常奇怪的性质,它甚至可以有自己的颜色、自己的味道,以及其他一些特别的性质。注意,这里面的颜色和味道只是人们形象的称呼,并不是说真正的颜色。比如,组成中子的三个夸克一定是红色、蓝色和绿色,这样的话它们组合在一块才成为白色。这是指这三个夸克有不同的特性,这三个特性要组合在一块形成一个稳定的状态,我们称之为白色的状态。

而不同的夸克的味是指不同的类型。比如有上夸克,有下夸克,还有顶夸克、底夸克等等。

这些夸克、电子、光子、胶子等等,组成了我们现在对这些基本粒子的认识;换而言之,这么丰富的基本粒子,它们的基本成分可能也是非常简单的。大概分为这几类:六种夸克 、三个轻子和三个轻子所对应的中微子。这是组成物质世界的基本成分。

标准模型

同时还有一些传播相互作用的粒子——玻色子,比如说W玻色子、Z玻色子。光子是最典型的传播电磁作用的基本粒子,胶子是传播强相互作用的基本粒子。

基本粒子中还有一个非常热门的粒子,叫上帝粒子,前几年引起了广泛关注。所谓的上帝粒子就是希格斯粒子,而希格斯粒子又是什么呢?在宇宙诞生之初,能量非常高,所有的粒子在质量分布上都是处于原点的附近,也就是处于不带质量的状态。但是这些粒子随着宇宙的冷却,它们和希格斯场进行相互作用,在质量分布谱上逐渐偏离了原点,产生了确定的质量。换句话说,这些基本粒子之所以有确定的质量,是因为和希格斯粒子有相互作用。希格斯粒子改变了它们存在状态,产生了质量——这也是宇宙中质量的来源。

上帝粒子:希格斯(Higgs)粒子

“行迹不明”的粒子们

07


这些都是确定存在的粒子,除了这些还有什么子呢?还有一些人们现在还不能确认的粒子,比如前两年比较热门的引力波。引力波人们已经探测出来,是两个黑洞或者是两个天体运动的时候产生的空间的一种扭曲,这种扭曲我们能够直接探测,从而确认引力波的存在。

但是按照量子力学,一切波都应该是由粒子组成的。那么和引力波对应的引力子存在不存在,现在我们并不知道。所以引力子是不是一个真实的粒子,现在还没有答案。

引力波和引力子

还有一些所谓的天使粒子,也就是马约拉纳粒子,它是指一个粒子既是正物质又是反物质,是正物质和反物质的天然的组合,好比天使和魔鬼都组合在一块儿,所以被称为天使粒子。

天使粒子

另外一种粒子就是所谓的磁单极子。我们知道单个电荷——正电荷、负电荷——是存在的。而一个磁铁,它有磁北极、磁南极;单个的磁北极、磁南极能不能存在,在现实生活中我们并没有发现。但是原则上或者是理论上,它可以存在,但是为什么探测不到,不得而知。

磁单极子

还有一种粒子就是所谓的轴子,它是一种特殊的光子,和光子类似。目前的电磁波都是横波,它是由普通的光子作为媒介。如果有轴子所媒介的电磁波的话,电磁波就不一定是横波了,它可以有纵波的形式,这也非常奇怪。但是轴子是不是存在,人们并不知道。

轴子

由演而生的准粒子

08


除了这些粒子,还有一类粒子我们称之为准粒子,或者说是一种生成的、生出来的粒子这种概念。它是怎么回事?回想一下我们很熟悉的游戏——多米诺骨牌。多米诺骨牌是由一个个的小骨牌或小方块摆在一块组成,如果我们压倒开头的一个骨牌,它就会像波一样压倒后面的骨牌产生一个波纹,这个波纹可以看作是一个粒子的运动。也就是说这个波浪本身就像一个粒子的行为,但实际上它并不是由某一个骨牌组成的,而是这些骨牌集体运动所产生的行为,这一类的粒子我们称为准粒子。

多米诺骨牌

最常见的准粒子存在固体中。固体里面有原子存在,而原子会振动。如果原子的振动按照特定的模式,它就可以产生一个像波的东西,这个波的行为可以用粒子来描述,一般称为声子,它是一种典型的准粒子。

声子

还有在超导体和拓扑的材料组成的界面上,有一些粒子的行为既是正粒子又是反粒子,就组成了所谓的马约拉纳粒子,它也是一种准粒子。

马约拉纳零能模

还有在固体里面,我们看到有一些特殊的准粒子,它对应的所有的磁的状态,都是指向它自己,或者是全从它自己指向外面——这非常类似于磁单极的概念——这种叫做外尔手性粒子。

外尔费米子

是点还是线——

这是一个问题

09



那么一个重要的问题是,这些基本的粒子,比如说电子、夸克,有没有结构?它又是由什么东西组成的呢?最新的观念认为,这些基本的粒子可能也是有结构的,这个结构也许不是以点粒子的状态存在的,而是以一维的弦的状态存在。

也就是说,宇宙空间在很小很小的尺度上充满了很小很小的线。这些线有不同的运动方式,这些运动方式就对应于不同的粒子。用这种观点,人们可以把所有基本粒子的性质和它们的状态都统一理解——这就是所谓的弦理论。

弦理论

人们甚至可以更进一步地认识到,这些弦代表着某种状态,这些状态的信息就对应于这些弦不同的激发,这些不同的激发才产生了所谓的粒子,产生了现在的物质世界。这些弦的状态或者弦的信息量决定了我们这个世界物质的存在,也就是信息导致了物质世界。这个听起来有点像唯心的观点,但是实际上有非常深刻的道理。至于这个弦理论是不是真实的描述现在的世界的理论,人们并不知道,所以仍然是一个假想状态的理论。

关于基本粒子是怎么组成的,还有另外一派的观点。这一类的观点是,基本粒子不一定由更小的粒子组成,而是有可能是由更大的粒子集体运动、集体合作产生的——也就是生成的,并不是小的组元构成的。

人们在80年代发现了所谓的分数量子霍尔效应。分数霍尔效应是指对在平面内运动的粒子,我们测量它的电阻,如果这个粒子带有一个电荷,那么电阻就是一个平台;如果它带有两个电荷,电阻就会是更小的平台。

分数量子霍尔效应

但是除了这些整数的平台之外,人们还发现了2/3 、1/3甚至其他比例的平台。根据同样的推测,人们可以假定,组成这些电流的粒子就应该带有分数电荷,比如说1/3个电子的电荷、2/3个电子的电荷,带这些电荷的粒子就特别像一个夸克了。也就是说,夸克这样的基本粒子,有可能是大量的粒子组合起来生成的——这就是所谓的基本粒子可能是演生出来的,可能是更大范围内的物质成分组合出来的。

“一粒沙中见世界”

10


刚才讲的形形色色的存在和可能存在的粒子,是不是构成这个世界的全部?其实不是的。刚才提到的这些粒子,充其量只能组成我们世界5%的成分,也就是5%的可见成分。

那么其他的成分还有什么呢?它包括27%的所谓的暗物质,即现在还没法感知、没法探测的粒子。除了暗物质之外,还有一些可能不以物质确定状态存在的所谓的暗能量,它占了宇宙68%的成分。

暗物质和暗能量

那么人们怎么知道这些暗物质和暗能量的存在呢?这是通过一些理论结合实验观测分析得到的。比如根据爱因斯坦的广义相对论,我们知道光线碰到大质量的天体会弯折。如果我们在宇宙中看到有一片区域光线弯折了,但是那个区域并没有任何熟悉的已知的可见物质,那么这个区域里面到底是什么东西导致了光线的弯折?可能就是现在还没探测到的所谓的暗物质。

那么暗物质到底是由什么组成的?现在人们对此并没有任何的了解。它可能是轴子组成的,也可能是引力子对应的费米子组成的,也可能是中微子对应的玻色型的中微子组成的,甚至是一些假想的弱相互作用的粒子。确切的暗物质到底是什么,人们并不知道,这在还是科学研究的前沿。

由于这些知识,人们提出了关于这个世界的一种贪吃蛇的理念。贪吃蛇是古埃及神话中的一个传说的动物,它是咬着自己尾巴的一条蛇,叫Ouroboros,或者说咬尾蛇。这个蛇联系了极大和极小的物质世界。

贪吃蛇

电子非常稳定,电子又非常小,它的内部结构人们并不知道。如果想探测这个电子是由什么组成的,可能需要巨大的能量才能把这个电子打开,从而探知它的内部结构。但是巨大的能量有可能会产生一个大爆炸,产生一个新的宇宙,甚至产生了星系、天体、周围的物质。所以为了探测这种极小的物质,也许我们不得不了解这些极大的物质。或者说,为了了解整个宇宙的秘密,也许我们需要知道一个电子它的内部到底由什么组成的、到底是不是弦

极大和极小以这样一种神奇的方式联系在一块儿,物质世界就是这种极大和极小相互关联的所组成的世界。这是一种非常神奇的、非常有启发性的观点。

总结一下:世界万物都是原子组成的,这是一个非常重要、非常核心的观念;而这些原子有确定的结构,原子是由基本粒子——比如电子、甚至原子核里面的夸克和胶子——组成的;这些基本的粒子,可能不是由更小的粒子构成,而是由更大的结构集体运动所生成的。这些生成的所谓的准粒子和真实存在的这些粒子,到底哪个更真实,这是一个有趣的问题。

现在了解了这些知识,我们再看一看周围的世界。比如课桌,我们知道它是由一个个的原子所组成的。这些原子有内部的原子核和电子结构,但是这些结构有没有可能像梵高的《星空》这幅画所展示的那样,这些星星实际上是由漩涡组成的,这些漩涡反而是更基层的、更真实的存在?这些漩涡的运动导致了我们可见的星星。是不是这样一个道理呢?

《星空》

通过这两节课的学习,大家是不是觉得周边的物质世界非常的神奇呢?大家了解了原子的知识,是不是再看一看周围的物体,眼光会有所不一样呢?

下期预告:


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