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如果原子99.99%为空,为何物体不透明?我们凭什么触摸到物体?

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题主其实问了两个问题,一个是何为“透明”,另一个是何为“感觉到物体”。

至于原子是否中空,我到不认为是重点,百度一下就有完美的解释了,我只补充一点客观世界的见闻。

原子是中空的吗?

物体为什么会透明,我首先得强调——和原子空不空没有关系,希望题主先记住这一点。透明是一种宏观的现象,原子中空是微观的描述,两者没有任何因果联系。
至于原子空不空?

我们知道,原子核的大小:10^(-15)m,原子的半经大小:10^(-10) m,相差5个数量级,单纯的体积比较当然可以认为99.99%为空的不对!其实更应该是99.999%是空的,才准确。

但是原子核以及电子绝对不是一个经典的小圆球啊!波粒二象性啊,同学,微观粒子的表现特性,一切以测量为基准啊。

一个波,它无论波长如何,肯定充满空间啊,所以原子即空也不空。

不过空不空,也都和透明没关系。

何为透明?

世界上透明的东西很多,比如水和空气都是透明的,金属就不透明,石头也不透明,组成它们的原子都一样,为何有这些差别呢?原因非常多,关系错综复杂,非得用一句话说清的话——就是光线能透过物体本身,而没有发生太多的折射和散射,然后反射回眼睛,我们就视此物为透明。反之则是不透明。
例如,一根玻璃棒,当插进水中的时候,我们还能看见它,这是由于水和玻璃折射光线的比率不同,因此我们可以看清他们。

物质折射光线的角度被称为——折射率,玻璃和水的折射率不同,所以,即使他们都是透明的,我们依然可以看到水中的玻璃,但是如果同样是透明的甘油,如果它的折射率与玻璃相当的话,玻璃看起来就像消失了一样。

一张白纸并不透明,是由于纸由植物纤维素组成的,其中充满了微小的气泡,纤维素和空气有着完全不同的折射率,因此有大量的光线被折射,它们向各个方向散射开去,最终没有光线能够穿透再回到我们的眼中。

如果我们用近似于纤维素折射率的物质,来替代纸张中的空气,例如异丙醇(或者普通食用油),当一张白纸被异丙醇浸透,纸张中原本的小气泡会被异丙醇填满,这时候光线没有发生太多折射和散射,就能直接穿过纸张,然后反射回眼睛——这样白纸就变透明了。

如果我们再深入一点来阐述的话,这事情就得跟量子力学扯上关系了。

一个物体(纯物质)是否透明,它是由能带理论决定的。

能带理论来源于原子核外电子能量的不连续性。简单的可以这样认为,电子处于不同的台阶上,台阶与台阶之间有个高度差,我们称之为带隙。带隙可以理解为能量差,通常单位是电子伏(eV)。

物质由原子组成,而原子则是由原子核和核外的电子组成。其中原子核所占空间体积很小,大部分空间由电子云占据。物质是否透明取决于光子能否顺利通过不同的“台阶”,也就是带隙大小。当带隙小于2.6时,电子将吸收光子能量并进行跃迁,微观上表现为光子被吸收,宏观上表现为不透明;带隙大于2.6时,由于光子能量不足以让电子跃迁,所以电子不吸收光子,微观上表现为光子可以顺利通过,宏观上表现为透明。

为什么是2.6呢?这就得揭示人眼看见的机密。人眼要看到光,是由于可见光中光子打到人眼,产生电信号传入大脑,经过大脑处理,就看见了光。而正好光子的能量,就约是2.6eV左右。

举个简单的例子,金属中原子相互连接的大多是金属键,而金属大多又是周期性晶体结构,故能带很规律,带隙的能量比较固定。最重要的是,大多金属的带隙都小于2.6,所以不透明。

何为触摸

在物理学中其实并没有没有“感觉到物体”这么一个说法,我们只讲物体之间的基本作用关系,根据杨振宁先生的标准粒子模型以及爱因斯坦的相对论,我们可以总结出——四个基本相互作用力:引力,电磁力以及强和弱相互作用。

简单地说标准模型:费米子是组成物质的粒子,玻色子负责传递各种作用力。费米子有电子、夸克、中微子等,相当于构成物质的原材料;玻色子有负责传递电磁力的光子,负责传递弱核力的W及Z玻色子,负责传递强核力的8种胶子。这套模型统一了强力、弱力、电磁力,唯独缺了引力。上面的大家看看就好,不要深究。我们说回点实际的东西,例如引力的表现。

引力只会在非常大的尺度上才占主导地位,应用环境通常可以认为太阳和地球,或者苹果和地球这种配对中出现。

强核力和弱核力可以并称为核力,它们的作用范围实际上就原子核般大小的尺度内,也是相当的高冷,一般在核辐射或者核聚变等场景,才可能碰到。

现实生活中,我们能称之为感觉的情形,包含视线、嗅觉、神经活动、身体化学反应、细胞间新陈代谢等等可以归结为电磁力相互作用。

比如我们的手指触摸物体,其实我们从来没有真正接触到任何一个物体的原子。皮肤和物体之间在电子层距离上,就将受到静电排斥力的作用。

简单的说,物体原子和手指原子的电子云在接近一个原子的距离上,将开始相互排斥,再难寸进,在相隔原子大小的距离上停留。此时的静电排斥力通过刺激我们皮肤下的神经末梢,让我们感觉像是触摸到了物体。

这一个原子的距离,大约是多少呢?

苹果和原子的比例,就像地球和苹果的比例一样。

所以牛顿被苹果砸到,会不会别有深意呢,那还真的不好说啊。

结语

啰里啰嗦写了一大堆,辛苦大家看完。
我是猫先生,感谢阅读。

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