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把太阳系比作一个原子的话,应该算什么元素或者同位素?

 星辰大海种花家 2019-12-22

玻尔的原子模型是最接近太阳系行星结构的,尽管波尔的模型已经被薛定谔的电子云模型所代替,但在我们的印象中,玻尔的原子模型是最容易理解的,假设太阳系是一个原子系统,那么它最接近哪种元素?

元素的种类是什么为区分标准的?

自然界总共有92中元素,如果加上同位素,那么有数百种之多,不同的元素由不同的原子构成,因此元素的差异就是原子的差异,那么原子之间有哪些差异呢?

  • 原子由哪些基本粒子构成的?

构成原子的是电子和质子以及中子,除了电子是基本粒子以外,质子和中子都还可以继续分,但与今天的话题并没与多大关系,所以我们就不深入讨论了!1897年约瑟夫·汤姆孙发现了电子,但其实我们现在知道电子和元素的属性并没有多大关系,但外层电子的分布却和它的化学属性有关,不过化学属性和本话题其实也没有关系,我们继续撇开不谈。

卢瑟福在1909年在α粒子散射实验中发现了原子核,他在1917年用α粒子轰击氮原子核,可以提取氢原子核,因此卢瑟福判断,氢原子核是氮原子核与所有更重的原子核的基础材料,根据这个结论,卢瑟福被公认为是质子发现者。

上图是历史上发现原子内部结构的几个著名实验的装置图,其中发现质子的装置是?

卢瑟福的判断是对的,所有的原子核都是氢原子核堆积起来的,但他当时不了解的是,氢有三种同位素,分别是氕氘氚,氕确实是一颗质子和一个电子,但氘一颗质子+一颗种子+一颗电子,氚则是一颗质子+两颗中子+一颗电子!

氢的同位素

尽管卢瑟福根据原子量和原子序数的差异,预言了这种电中性粒子中子的存在,但要到1932年英国物理学家詹姆斯·查德威克(卢瑟福学生)正式发现中子才,整一个原子模型才完整。质子数量与元素序号直接相关,而中子数量则决定同位素差异,因为只质子带正电,中子电中性,因此与质子数对应的是外围的电子数量,一个质子的氢原子核外围只有一个电子,两个质子的氦原子核外围两个电子。

元素核外电子排布

当然各种元素的原子核外围的电子最大排布数量和和电子排布数量并不一致,所以它们能构成各种化合物,假如一种元素的外层电子没有空缺,或者它不容易失去自身的电子,那么这种元素就比较难构成化合物,比如黄金就是元素中化学属性比较稳定的,但原子核最稳定的则是铁,与本文无关,我们不谈。

太阳系的众行星环绕比较类似哪种元素?

太阳系的中心只有一个太阳,因为单独的中子是电中性的,不能捕获电子,无法构成原子结构,因此它被称为重子或者是0号元素,因此太阳只能假设为质子!

一个质子就是氢原子核,但氢原子核只需要一个核外电子即可构成氢原子,也就是除了水星以外,其他统统抛弃,游离了电子的原子核我们称它们为离子,但捕获了过多电子的原子核是什么?似乎并不能达到这种状态!

  • 多余的电子怎么办?

这多出来的电子会让整个原子带上负电,理论上来讲它会吸引别的离子,因为游离了电子的原子核就带正电,后果会如何?它会吸引另一个太阳前来太阳系,构成一个双星系?理论上来看,需要再来7个质子才能达到电中性平衡状态!

  • 八个质子的原子核是什么元素?

氧元素就是8个质子和8个电子构成,但要命的是氧还有8个中子,这几个中子咋办?有没有中子的8个质子的氧8元素吗,其实理论上完全没有问题,但有一个事实,中子在原子核中作用是调和质子之间的库伦斥力的,尽管质子之间的强作用力远高于质子之间的正电荷库伦斥力,但强作用力距离很短,并且不能无限叠加,当出现纯质子数量过高的原子核时,那么它可能会在库伦斥力作用下分裂的趋势。

简单的说它可能会裂变,但咋个裂变就不得而知了,也许是4+4,形成铍原子核,但又有一个中子数量的问题,因此这实在是个不太好讨论的问题!

  • 行星能对上电子吗?

比较好玩的是行星在任何时候都是可以确定动量与位置的,但电子却不行,电子自旋和行星自转似乎能对应起来,但电子是1/2自旋,这个现象很有趣,假如地球1/2自旋的话,那么地球自转两圈才能看到东一个国家。而无法同时确定动量和位置的地球,那么当人类从地球上发射飞船到太空后将再也回不去,因为此时地球成了概率云,不再是一个位置和动量都是精确数字的实体!

但还有一个更好玩的,电子具有质量,根据E=MC^2可以计算出它的能量,那么再根据E=HV可以计算出它的频率,因此电子在前进时会伴随着一个波,而且当电子前进速度为v0时,这个伴随的波速度为c^2/v0,这就是德布罗意波,而且它会大大超过光速!

违反了相对论?不存在的,因为这个波无法携带任何能量和信息,这没有意义是吗?其实不然,因为波姆根据德布罗意的理论延伸出一个隐变量理论,波姆认为电子不仅具有电磁势外还具有“量子势”,它按薛定谔方程发展,在电子周围扩散开去,瞬间延伸到宇宙的尽头!

当然量子论中关于电子波函数坍缩的隐变量理论并未正式流行,但这是一个非常有意思的理论,也就是说当地球看成是电子时,它将瞬间能感知到这个宇宙中所有的地球!

当然根据波尔的原子模型,电子也是会跃迁的,所以地球可以出现在这里,也可以出现在哪里,也可以游离太阳系,成为游离地球,好玩吗?

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