如果讓宇宙中所有原子的原子核和電子緊挨著、不留空隙,有多大?

2021-01-18 宇宙新思維

一,宇宙在宏觀和微觀上確實有空隙

空曠的宇宙

的確,宇宙雖然非常廣大,但絕大部分空間是「空的」,星球、星系、星雲和塵埃雜質所佔宇宙空間比例很小,小的幾乎可以忽略。如果把所有物質轉換為氫原子,那宇宙的物質粒子密度大約每立方米只有一個氫原子。這還只是宇宙中宏觀物質之間的空隙,那微觀上每個原子內部又是什麼情況呢?

我們知道原子由原子核與核外電子組成,現代科學已經探明,由質子和中子組成的原子核體積只佔整個原子的幾千億分之一,

原子核體積佔原子的比例

核外電子在這「無比巨大」的空間中運動,而核外電子的半徑不大於10^-22米,與質子、中子相比完全可以忽略不計。因此如果把原子空間都壓縮掉,只剩下原子核和電子,那全宇宙的實體物質又會縮小几千億倍。

二,這種電子和原子核緊挨在一起的狀態在宇宙中是存在的,就是我們常說的中子星。

中子星

所謂中子星就是全部都是由中子緊挨著組成的星體,是將核外電子壓進原子核中的質子後,原子核全部變成中子後形成的。中子星的密度大得驚人,為10^11千克/立方釐米,即每立方釐米1億噸,相當於一個花生米大小的物質重達1億噸。

但是如果想把電子壓進質子,然後把全是中子的原子核緊緊挨在一起需要很大的力量,形成這種狀態或類似的狀態需要特定條件。就目前人類的認識,這種狀態是大質量恆星的最終演化產物,可以說原子收縮的過程就是相應質量的恆星演化的過程,下面我們簡單作一介紹。

三,不同質量恆星演化的結果也是不同的

據科學研究表明,1.44倍以下太陽質量(錢德拉塞卡極限)的恆星在內部所有核聚變結束後,因失去抵抗恆星自身質量產生的強大引力的能力,恆星會在自身引力的作用下急劇收縮,原子中的核外電子克服泡利不相容原理帶來的壓力,擺脫原子核束縛,游離在原子核周圍,原子空間被大大壓縮,但這時的電子還並沒有壓進質子中,由這種狀態形成的星體叫白矮星,它的密度為每立方釐米1噸。

白矮星

質量在1.44倍――3.2倍太陽質量(奧本海默極限)的恆星在演化末期,自身強大的引力會進一步克服電子簡併壓,把電子壓進質子形成中子,最終形成中子星。這種狀態就是題目所說的狀態。當然大於3.2倍以上太陽質量的恆星會克服中子簡併壓,最終形成黑洞或夸克星。

黑洞

由於黑洞和白矮星與本題無關,我們只做簡單介紹,在此不多作討論,我們只討論中子星的狀態。

四,對本題的回答

現在知道了中子星的密度(就是將來把原子核和電子緊挨在一起、不留空隙的密度)ρ=10^11千克/立方釐米,如果再知道宇宙的質量M,根據公式ρ=M/V,就可求出全宇宙所有原子的原子核和電子緊挨在一起、不留空隙的組合起來的體積V了。現在的問題是密度知道了,但真正宇宙的質量無法確定,目前我們只大體知道可觀測宇宙的質量為10^54千克數量級,因此我們只能拿可觀測宇宙來計算,取M為10^54千克,代入Ⅴ=M/ρ,即V=10^54/10^11=10^43立方釐米=10^37立方米。轉換為球體,則V=4πr/3,算出半徑r=1336731471公裡≈13.4億公裡,這個距離還不如太陽到土星的平均距離14.3億公裡遠。

土星距離

當然,正如上面所說,超過3.2倍太陽質量的恆星是不會成為中子星的,因此全可觀測宇宙物質的原子核不會老老實實湊在一起,它們會繼續坍縮,最終可能成為黑洞。這個黑洞的視界可以通過史瓦西半徑公式Rs=2GM/C求得,其中G為萬有引力常數,大小為6.67x10^-11牛·米/千克,M這裡為宇宙總質量,C為光速,可求得Rs=1570億光年。可以看出,如果把整個可觀測宇宙看成一個黑洞,黑洞的史瓦西半徑還大於宇宙成為中子星狀態的半徑,也大於現在可觀測宇宙的半徑(465億光年),難怪有人說宇宙就是一個超級黑洞,

超級黑洞

就像別的黑洞一樣,連光也逃不出去,光速成為物體運動最高速,而人類就居住在黑洞裡,竟然都活得好好的。哈哈,你們相信嗎?

當然這也很像宇宙誕生的逆過程,它最終也有可能會收縮為一個奇點回到宇宙誕生前的狀態。這時就沒有什麼黑洞視界了,整個宇宙收縮為一點了。

宇宙收縮為一點

相關焦點

  • 如果讓宇宙所有原子的原子核和電子都緊挨著,那會有多大?
    但由於電磁力的存在,阻止了原子被壓縮成又小又密的狀態。如果把人的原子內空間都去掉,人會被壓縮到15微米。那麼,如果壓縮宇宙中所有的原子,使原子核和電子都緊緊挨著,不留空隙,該物質會有多大? 事實上,在宇宙中就有類似這種狀態的天體,那就是白矮星。
  • 如果把宇宙所有物質的原子核壓縮到一起,將會有多大?
    原子由核外電子和原子核構成,原子核又由中子和質子構成,但是在核外電子與原子核之間,其實有著很大的間隙,正常情況下原子核的體積只佔了整個原子的百萬分之一,同樣原子核中質子和中子之間也存在很大的間隙。在足夠的能量下,電子是可以墜入原子核與質子結合成中子的,宇宙中的中子星就是這麼形成的,中子星密度高達每立方釐米10^11kg;目前人類能所處的可觀測宇宙,半徑465億光年,質量大約是10^53kg,有著上萬億個星系。
  • 宇宙中所有原子核疊起來有多大?不如太陽系大,但它範圍超過宇宙
    可觀測宇宙大約為930億光年,整個可觀測宇宙大約有10^80個原子,那麼一個個原子核大約有多大呢,這好像是一個問題,因為是原子核堆積在一起?一、原子核堆積在一起的是什麼物質?原子的屬性有原子核中的質子決定一個質子的是氫元素,兩個質子的氦元素....二十六個質子的是鐵元素,不同的中子數則決定同一種元素的同位素,它並不能決定元素的種類,但它會決定元素的活躍度,比如會因為衰變而成為另一種元素。
  • 可觀測宇宙內一共有多少原子?如果把原子核聚集到一起能有多大?
    我們在中學物理課上都學過,原子是由原子核以及核外電子所組成,其中原子核中又包含著質子和中子(H1是唯一沒有中子的元素),雖然原子的體積非常微小,半徑只有10^(-10)米級別,但是原子核的尺寸更小,其半徑只有10^(-15)米級別,因此組成物質的原子,實際上中間是非常空曠的,超過99%的空間什麼都沒有,這也就給了人們以「壓縮原子」的假想空間。
  • 可觀測宇宙內一共有多少原子?如果把原子核聚集到一起能有多大?
    按照這種假設,如果我們能夠把宇宙中的所有物質中的原子都提取出來,並且將它們之間的空間全部壓縮,一點空隙都不留,呈現出來的物體到底有多大呢?當然,我們窮盡所有能力也不可能做出這樣的實驗,宇宙中也不可能給我們創造這樣的條件去實現這樣的結果。
  • 把整個宇宙壓縮成一個原子核密度,尺寸會有多大?
    有人異想天開,如果把宇宙所有原子的電子都壓縮到原子核一起,不留空隙會有多大?這實際上就是把宇宙壓縮成原子核密度。這個問題看起來很複雜,但實際上很簡單,因為在我們宇宙已經有這樣的物質了,只要我們知道了宇宙的質量,掰一下指頭就出來了。
  • 在原子裡面,原子核和電子之間是絕對真空嗎?為什麼?
    先說答案,在原子裡面電子和原子核之間不是絕對真空。因為宇宙中壓根沒有絕對真空。人們認為宇宙是有限的,常常說宇宙外面什麼也沒有,有很多人就把空間理解為「什麼也沒有」――絕對真空,把什麼也沒有的宇宙之外理解為就是空間,認為宇宙存在於空間中,空間是一種先驗地幾何存在。這當然是錯誤的:空間的「空」不是什麼也沒有,而恰恰是物質的一種表現,是一種物質形式。宇宙之外的「什麼也沒有」,意思就是連「空」也沒有,是真正地沒有,而空間不是如此。
  • 如果把原子比作地球,原子核會有多大?
    大部分人都知道原子由原子核與核外電子構成,而且原子核的質量佔了整個原子的大多數,但具體原子核在原子中有多大,和整個原子比較又如何這確實不容易想像!連原子核的概念都沒有,就不用討論這個問題了。緊接著湯姆孫模型出現電子也終被發現,這種模型認為原子是球形膠凍狀。而且電子與原子核的分布實在看不懂、、、。而在盧瑟福模型出現後才有了在原子中心,有一個帶正電的、體積很小的,幾乎集中了全部原子質量的原子核的概念。
  • 原子核和電子僅佔據原子的0.0001%,其他空間還存在什麼微粒?
    我們都知道,電子和原子核組成了原子,其中原子核幾乎佔據了整個原子的質量,原子核和電子僅佔據了原子的0.0001%,可以舉一個不太恰當的例子,在一片很大的魚塘中,原子核就只有魚飼料那麼大,電子卻連水面上漂浮的塵埃都算不上,可想而知,原子的空間中還有多少「空隙」,於是我們就會納悶,那麼大的空間裡不可能什麼都沒有吧,那麼,除了電子和原子核之外,還存在什麼物質呢?
  • 直觀的說如果一個原子相當一個地球,那麼原子核有多大?
    原子與原子核大小相差很多,有點像我們太陽系,太陽在中間只佔那麼一小點空間,卻有半徑一光年的巨大引力場(奧爾特云為邊際),而太陽卻佔有整個太陽系質量的99.86%,所以常常有人把原子與太陽系運行打比,認為這個世界從微觀到宏觀都是一樣的。其實微觀世界的運行與天體宏觀運行規律並不一樣,所適用的作用力也不一樣。
  • 如果原子大如地球,那原子核有多大?
    對於原子而言,原子核之外還有電子,原子核要比原子小得多。不同的元素,包含了不同的質子、中子和電子,所以它們的大小也是不一樣的。另外,原子的半徑依據不同的定義,比如玻爾半徑、範德華半徑,也有不同的大小。下面以氫原子為例做個簡單說明。
  • 電子帶負電,原子核帶正電,為什麼電子不墜入原子核?
    在經典的原子模型中,電子圍繞原子核繞行,由帶負電荷的電子和帶正電荷的質子間庫侖力提供向心力,但是這個模型有很多缺點。比如在電磁學中,電子繞核運動會向外輻射電磁波,從而損失能量,使得電子墜入原子核,理論計算整個過程就是一瞬間,原子不可能穩定存在,這顯然和事實不相符合。
  • 電子帶負電原子核帶正電,那麼電子為何不墜入原子核中?
    原子內部結構以及物理特性並不同於我們所在的宏觀世界,那裡的一切都被量子力學統治著! 事實上,在人類對原子結構的研究過程中,確實有問題中這樣的疑問,電子帶負電,原子核正電,它們應該相互吸引到一起!同時,理論上電子在運動的過程中會因為向外輻射電磁波失去能量墜入到原子核中,但這種情況並沒有發生!
  • 原子的組成:原子核、質子、中子、電子,以及什麼是同位素?
    原子是在大爆炸137億年後形成的。當這個炎熱而密集的新生宇宙開始冷卻時,這就為夸克和電子的形成創造了有利條件。夸克結合在一起會形成質子和中子,而這些粒子處於原子核中。根據歐洲核子研究中心的說法,這一切發生在宇宙誕生的最初幾分鐘內。
  • 再認識電子、中微子、µ子、原子核和原子的結構
    當然,這些運動方式和結構變化,需要使用明晰的圖示來完整表達。這個方面只能在詳細的論文中再細化。簡單地講,通過對正負電子性質的分析推導,我們很容易推導出原子的層序化結構和原子核的層序化結構。在我的原子結構理論中,原子並不存在如玻爾理論所云的相對獨立的電子層結構。實際上,自原子核開始,正負電子總是按能量不同而分層序外延為一個整體。
  • 電子帶負電,原子核帶正電,異性相吸,為何電子沒掉進原子核內?
    原子核是由質子和中子構成的,質子帶正電,中子不帶電,因此,原子核才會帶正電。實際上,初高中老師講授的原子結構是經過「特意」簡化的。目的其實是為了方便教學。真實的原子模型是和上圖中的模型截然不同的。在經過幾代物理學家的努力,原子模型發生了好幾次迭代。如今,最為主流的原子模型更接近於下面這樣。
  • 在原子內的空間裡,除了原子核和電子之外,還有其他東西嗎?
    根據量子力學的描述,原子內的電子不是規規矩矩地圍繞著原子核運行,而是以一種「概率波」的方式分布在原子內的空間,它們會按照一定的概率隨機地出現在原子內的空間裡,電子的這種分布方式被稱為「電子云」,也就是說,原子內的空間並不是我們想像中的那麼空曠。那麼在原子內的空間裡,除了原子核和電子之外,還有其他東西嗎?
  • 在原子裡面電子和原子核之間是絕對真空嗎?為什麼?
    那接下來,我們說一說原子內電子和原子核之間的是不是存在絕對的真空。一般來說,我們看到的原子模型都是這樣的:不過,後來隨著量子力學的發展,科學家發現核外的電子並沒有所謂的預定軌道,它並不像行星和太陽系之間的關係,電子在原子核外是呈現電子云的狀態,意思是,電子的位置是隨機的,連它自己都不知道下一刻會出現在哪,我們只能用概率來描述電子出現的可能性。
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