【原】原子內(nèi)部99.999％都是空的，為什么很多物體都不透明？

魅力科學(xué)君 2021-09-20

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原子、原子核和電子的經(jīng)典直徑的數(shù)量級(jí)分別為10^(-10）米、10^(-15）米以及10^(-16）米，簡(jiǎn)單換算一下就可以得出，假如把原子核的直徑放大到1厘米，那么按照同等比例放大后的原子直徑就高達(dá)1公里，而電子的直徑卻只有1毫米，從這方面來看，原子確實(shí)是非常空曠，說原子內(nèi)部99.999％都是空的，一點(diǎn)都不夸張。

既然原子內(nèi)部99.999％都是空的，那為什么很多物體都不透明呢？

我們通常會(huì)認(rèn)為，電子圍繞著原子核的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就像地球圍繞著太陽(yáng)一樣一圈接著一圈地轉(zhuǎn)，但實(shí)際情況卻并不是這樣。

根據(jù)量子力學(xué)中的“不確定原理”，電子的位置和速度不可能同時(shí)確定，它們會(huì)以一種“概率波”的方式分布在原子內(nèi)部的核外空間里，看上去就好像原子核被籠罩在一團(tuán)云狀物之中一樣，所以電子的這種分布方式就被稱為“電子云”。

有了這個(gè)概念之后，我們似乎就可以做出這樣的解釋：因?yàn)楣獗辉觾?nèi)部的“電子云”吸收了，所以物體就不透明。但問題是，并不是所有的物體都不透明啊，比如說很多玻璃都是透明的，這又應(yīng)該怎么解釋呢？

為什么有些物體是透明的？

我們通常所講的光，是一種波長(zhǎng)大約在390納米和750納米之間的電磁波，這也被稱為“可見光”，所以通常意義上的“透明”和“不透明”，其實(shí)就是局限于“可見光”范圍之內(nèi)。

據(jù)此我們就可以推測(cè)出，假如一個(gè)物體內(nèi)部的“電子云”吸收了“可見光”，它就是不透明的，反之則是透明的。具體是怎么回事呢？這就要從“能級(jí)”講起了。

現(xiàn)代量子物理學(xué)認(rèn)為，原子內(nèi)部的核外電子只能在特定且分立的“軌道”上運(yùn)動(dòng)，每個(gè)“軌道”上的電子都具有特定的能量，這些能量值就被稱為“能級(jí)”。

對(duì)于核外電子而言，雖然它們可以在各個(gè)“能級(jí)”之間躍遷，例如當(dāng)電子吸收了能量之后，就會(huì)向“高能級(jí)”躍遷，而當(dāng)電子釋放了能量之后，就會(huì)向“低能級(jí)”躍遷，但是它們卻不能躍遷到兩個(gè)“能級(jí)”之間。

根據(jù)愛因斯坦對(duì)“光電效應(yīng)”的解釋，光的能量并不連續(xù)，而是分為“一份一份”的，每一份能量就是一個(gè)光子，不同波長(zhǎng)的光，其光子的能量也是不同的，而電子一次只能吸收一個(gè)光子的能量。

將以上所述綜合一下我們就可以得出，如果某個(gè)光子所具備的能量，與讓某個(gè)原子內(nèi)部的核外電子躍遷到更高“能級(jí)”的能量不匹配，那么該原子內(nèi)部的核外電子就無法吸收這個(gè)光子的能量（因?yàn)榧偃缭撛觾?nèi)部的核外電子吸收了這個(gè)光子的能量，那它就會(huì)躍遷到兩個(gè)“能級(jí)”之間，而根據(jù)現(xiàn)代量子物理學(xué)，這是不可能發(fā)生的事），換句話來講就是，這個(gè)光子就可以直接穿過這個(gè)原子。

因此可以說，如果“可見光”的光子所具備的能量，與某個(gè)均勻材質(zhì)的物體內(nèi)部的核外電子躍遷到更高“能級(jí)”的能量不匹配，那么這個(gè)物體就是透明的。

為什么要特意提到是“均勻材質(zhì)的物體”呢？這是因?yàn)榧偃缫粋€(gè)物體是由大量的小顆粒雜亂無序地堆砌而成，那么光就會(huì)在物體這些小顆粒之間進(jìn)行大量的無序散射，從而對(duì)外表現(xiàn)出不透明，一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是，如果一塊原本透明的玻璃內(nèi)部出現(xiàn)了裂痕，那么裂痕處就不透明了。