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切開,在微觀層面上是什麼意思?原子會不會被切成兩半?
2023/02/16

通過切割,可以將物體一分為二,這是巨觀層面的表現,那麼在微觀層面上,切開到底是什麼意思呢?是什麼被切開了,原子會不會一分為二?

我們日常所能見到的大多數物質都是由分子所構成的,比如水就是由一個個水分子結合而成的,而一個個獨立的水分子之所以能夠聚合在一起形成水,依靠的是氫鍵,氫鍵本質上是一種分子內或分子間的相互作用。水分子的化學式為H2O,它是由兩個氫原子和一個氧原子所組成的,而氫原子和氧原子能夠聚合在一起形成水分子,依靠的是化學鍵。

化學鍵是兩個或多個原子間的強烈相互作用力。

這里所說的強烈相互作用力并不是四種基本力之中的「強力」,它只是一種強大的相互作用力,本質上屬于四種基本力之中的電磁力,之前所說的氫鍵也是如此。 接下來就是單個原子了,原子是由原子核與核外電子所組成的,原子核之中有質子和中子,以氧原子為例,它的原子核內就有8個質子和8個中子。這就有點問題了,質子都是帶有正電的,所以質子之間存在著相互排斥的庫倫斥力,它們怎麼能夠安然地擠在一個原子核之中呢?

質子之所以沒有因為庫倫斥力而分崩離析,是因為存在著一種比庫倫斥力更強大的結合力,它就是核力。

核力屬于四種基本力之中的強力,而庫倫斥力屬于電磁力,所以核力要比庫倫斥力強大得多,具體一點來講,核力大概是庫倫斥力的170倍左右,可見原子的結構是非常難以破壞的。弄清了物質的微觀結構,我們就可以來說說切割的問題了。切割在微觀層面上實際是一種擠壓的力量。

當一種物質受到來自外部的力量擠壓時,它會發生形變,這種形變本質上是分子間相互作用力的斷裂。

當切割的刀刃施加在物體上時,會使施力部位產生較大的拉應力,當拉應力達到一定值的時候,分子間的作用力就會斷裂,于是分子會向刀刃的兩側移動,物體在巨觀層面上也就被分成了兩半。當然,有些物體并不存在分子結構,比如鐵就是由鐵原子所組成的,在切割這些物質時,實際上就是使原子之間的結合力發生了斷裂,比如金屬鍵、共價鍵或離子鍵的斷裂。

可見,對任何物質進行的切割,都只是破壞了分子或原子之間的作用力,而原子本身并沒有受到破壞。

那麼如果我們把單個原子拿出來,對準了切,是否能夠將原子一分為二呢?當然是不能的,因為我們沒有這麼細的刀刃。 刀刃本身就是物質,它是由大量的分子或原子所組成的,一般刀刃的寬度都在微米級,而原子核的大小大概只有0.1納米,而1微米等于1000納米,可見刀刃比原子寬得多,即便是傳說中的納米細絲,也就是碳納米管的直徑也在2納米之上,是無法用來切割原子的。

雖然原子無法被切割,但并不等于原子無法被破壞。

使原子核中質子結合在一起的力是一種強相互作用力,所以要破壞這種結構需要極大的能量輸入,在常規條件下,這幾乎是無法做到的,但使用大型強子對撞機就不同了。在對撞機中,微觀粒子可以被加速到接近光速,在高速運動下所產生的撞擊會釋放出巨大的能量,即便是由強相互作用力結合而成的原子核也會在這股強大的力量下被轟碎,這可能是目前人類能夠破壞原子的唯一方法了。

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