在现代物理学建立起来之前,科学家一直认为原子就是不可分割的最小结构单元,认为原子是实体的,就像一颗玻璃珠那样。
但随着人类科技水平提高,科学家深入到更微小的领域发现,原子并非不可分割的,原子内部也有自己的结构。
原子非常小,直径只有大约10的-10次方米左右,原子的中心是原子核,直径只有大约10的-15次方米左右,原子核外围是更小的电子。如果我们把原子结构等比例放大,如果原子核由一个篮球那么大,那么原子核外围最近的电子也远在一公里之外,其他区域都是空荡荡的。
我们的身体都由原子构成,如果把身体内所有原子的空荡荡的部分都抽走,我们的身体最终会被压缩到只有一个芝麻的大小。如果把世界上所有人都压缩处理的话,最终得到的只有苹果大小。
一开始,人们认为电子在原子核外围围绕原子核运转,就像地球围绕太阳运转那样。但是如果是那样的话,电子在运转的过程就会慢慢失去能量,最终坠落到原子核上。但事实上这种情况并没有发生。
显然,电子并非像地球围绕太阳那样围绕原子核运转,那么电子到底做什么样的运动呢?一开始科学家也百思不得其解。
直到著名物理学家尼尔斯波尔的出现,才让物理学家对原子内部结构有了更深层的认知。而这一切都与神奇的光有关。
我们都知道,物体被加热时基本上都会发光,而且不同物体会发出特定颜色的光,科学家们称之为“光谱”。而物体又是由原子构成的,显然原子与光有着某种必然的联系。
波尔通过长期研究观察,加上他那异于常人的洞察力,意识到光谱或许可以解释原子内部空间分布规律,进而提出了自己的新见解:量子跃迁,一开始很难被大众科学家接受的诡异理论。
量子跃迁理论指出,电子在原子核外围并非做固定的运转,电子的运行轨道并不固定,而是随时可能发生轨道跃迁,从基态(稳定态)跃迁到激发态(非稳定态),或者从激发态跃迁到基态。
电子的轨道是一层一层的,在基态和激发态之间来回跃迁,基态是距离原子核最近的那层轨道。而跃迁发生的前提就是吸收或者释放特定能量的光子(能量)。
吸收特定能量的光子,电子就可能会从基态跃迁到激发态。相反,如果释放特定能量的光子,就会从激发态跃迁到基态。当吸收的光子能量达到某个特定值,就会脱离原子核束缚,成为自由电子。
波尔通过量子跃迁对原子结构的描述可以看出,原子结构远非像太阳系结构那样。原子结构更像是一栋高层楼房,原子核位于楼房底层,而电子可能位于楼房的各个楼层,电子也只能位于各个楼层,而不能位于两个楼层之间,不过电子可以在各个楼层之间来回跃迁!
那么到底为什么会发生电子跃迁呢?电子跃迁为何与吸收释放光子有着直接联系呢?
正如波尔所说:没有人能真正理解量子跃迁,如果你认为自己了解了量子跃迁,说明你根本没有理解彻底。
除了量子跃迁,量子世界里还有不少让人感到匪夷所思的概念,比如说量子纠缠,量子隧穿等现象,直到今天科学家们还没法彻底弄清楚量子世界里的运行规律!
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