原子空間的奧秘:為何堅實的牆壁無法穿透?

编辑者: Irena I

儘管原子內部絕大部分是空無一物的空間,但我們日常生活中所觸及的牆壁等固體,卻堅不可摧,這背後蘊藏著物理學的深刻原理。這份堅固性主要歸功於兩個關鍵的量子力學概念:電磁排斥力與包立不相容原理。

原子由一個緻密的原子核和圍繞其運動的電子構成。電子並非在固定的軌道上運行,而是以機率雲的形式分佈在原子核周圍。當兩個原子的電子雲相互靠近時,由於電子都帶負電荷,同性相斥的電磁力會產生強烈的排斥作用。這種排斥力就像兩塊磁鐵的同極相斥一樣,阻止了電子雲的顯著重疊,從而形成了一道無形的屏障。這種電磁排斥力是構成物質堅實感的基礎,也是我們感知「觸感」的根本原因。

進一步鞏固這種不可穿透性的是包立不相容原理。這是一項量子力學原則,規定了兩個或多個全同費米子(如電子)不能同時佔據同一量子態。簡而言之,不同原子的電子不能在同一時間、同一空間佔據完全相同的狀態。雖然量子穿隧效應允許粒子有極小的機率穿過勢壘,但對於由無數原子組成的宏觀物體(如人體)而言,要同時讓所有粒子都發生量子穿隧的機率,其微小程度幾乎為零,因此在實際層面上是不可能的。

科學研究顯示,原子核雖然佔據的體積極小,卻集中了原子絕大部分的質量。而電子則以機率雲的形式擴散開來,決定了原子的宏觀尺寸。當我們試圖讓兩個物體相互穿透時,實際上是它們的原子在相互靠近。此時,原子外圍的電子雲會因為電磁排斥力而相互推開。這種排斥力隨著距離的縮短而急劇增強,確保了原子之間不會過度重疊,從而維持了物質的結構完整性。

儘管原子內部空間廣闊,但正是這些基本物理原理,特別是電子之間的電磁排斥力以及包立不相容原理,共同作用,使得我們周圍的物質呈現出堅實、不可穿透的特性。這也解釋了為何我們無法像電影中的情節那樣,輕易地穿過牆壁。即使在極小的尺度上,量子力學也為我們揭示了物質世界的奇妙運作方式,讓我們得以理解日常現象背後的深刻科學原理。

來源

  • livescience.com

  • Live Science

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