原子 構成你周遭一切的基礎
眾所周知 原子是相當小的
不過談到原子實際上有多小的時候
事情就開始變得有趣起來
因為這個問題很難直觀地進行回答
當然 我現在可以告訴你
碳原子的直徑只有1.4×10ˉmm
但是這樣的數字太抽象了
很難讓人對原子的大小有一個直觀的感覺
同樣 我也可以說
1立方米的鑽石裡頭含有1.75×10個原子
但這個事實仍然很難讓我們真正理解原子的大小
想要更好地描述原子的大小
我們需要一個更形象的情境
這也是我們今天要做的事
因為我們要討論的尺度很小
很難把它說清楚
接下來我們會用三種方式來進行描述
希望你們看完視頻 都可以對原子的大小有一個更清晰的理解
《動畫事實》
開始之前 我們先簡單了解一下
對美國人來說 一毫米有多長
畢竟一英寸的尺度對於原子來說太大了
看一下這把尺子
這個長度是一英寸
這個長度是一毫米
所以一毫米差不多是一英寸的1/25
或者說 是這把尺子的1/16的2/3大小
所以當我說1mm的1/5時
就是藍色區域的1/5那麼大
好 現在開始吧
毛髮是肉眼可見的 最小的東西之一
所以非常適合從毛髮入手 來講解原子的大小
一方面因為它很細
所對應原子的數量不會大得離譜
而另一方面
是因為每個人對毛髮的粗細都有清晰的認知
當然 毛髮的粗細是不一致的
不過頭髮通常粗1/10毫米
此外 原子的大小也並不一致
原子的尺寸取決於元素的種類
原子所處的化學環境 甚至原子的排列方式
我們的原子模型只是一個簡單的示意
我們喜歡把原子看作一個標準的球形
但事實並非如此
為了做這個視頻 我們還會用到一些圖像
對於我們體內含量第三的碳原子來說
140pm是一個比較準確的直徑值
大概是就1mm的七百萬分之一
這意味著把70萬個碳原子串起來
才和毛髮的平均粗細相等
這很好地說明了原子到底有多小
但70萬依然是個難以想像的數量
尤其是對於人類毛髮這麼小的東西來說
但是如果我們把每個原子的直徑
都放大成一根毛髮的直徑的話
這個時候原子才剛好能被肉眼觀察到
如果這麼做 令人驚訝的是
毛髮會有70米 或者說230英尺厚
這就和倫敦的大本鐘差不多高了
當然 這70萬個原子
形成的還只是一條一維的線
要充分地認識到這些細小原子的數量
我們需要從整個三維的角度去看
所以接下來看一下一整個平面
如果我們用碳原子鋪滿一根毛髮的橫截面會怎樣
讓我們簡單計算一下
要是我們把35萬個原子當作半徑
代入到圓面積公式當中
可以算出來這個橫截面上有3900億個碳原子
這還只是一根毛髮的橫截面而已
就能有這麼多的碳原子
為什麼這個數字很重要呢?
我們之前說過0.1mm寬的物體
（人類毛髮就是那麼寬）
是肉眼能辨別的最小尺寸
這表明頭髮絲橫截面
是我們肉眼可見的最小的點
而這個截面有著3900億個碳原子
至少在理論上 這是肉眼可見的最小原子面積
因為單層碳原子可以吸收
約2%—3％的白光讓它變得有些不透明
這樣小的點若沒有更多層原子吸收光
會變得透明而無法被觀察到
還有 要是你從發尾剪下一根頭髮 並放在兩指間擠壓
使其只有末梢露出來
那麼這個頂端有3900億個碳原子
一個非常大的數字
為了讓這個數字能更直觀
我們把頭髮像之前那樣放大
這次 想像一個由人類頭髮緊密挨在一起組成的
70米或230英尺厚的刷子
一個人大約有十萬根頭髮
那麼這個刷子要剃掉約四百萬人的頭髮
如果每根頭髮代表一個原子
那你的頭髮尖端就含有
和這些頭髮一樣多的碳原子
而這僅僅是一層原子
還有一個維度需要去探索
這時的數量就真的是個天文數字了
但為了這個任務
我們將目光轉到
一個更容易看清細節的物體
讓我們看下第二個方法
一粒沙子
這次我們使用一粒沙子 來講解原子的大小
沙子的平均直徑為0.5mm
大概是頭髮絲的五倍粗
技術上說 沙子是由特定物質組成
只能由特定的大小定義
它比礫石細 但比淤泥粗
不管怎樣 沙子由二氧化矽組成 即石英
沙粒重約200微克
將二氧化矽的摩爾質量帶入計算
我們可以計算出1g沙子中 約有10^22個分子
因為一個二氧化矽分子中有三個原子
故1g沙子中共有6×18的十次方個原子
也就是600億億個原子
和之前一樣 假設將每個原子放大到沙粒那麼大
沙子大約會有1100米 或者3600英尺高
是帝國大廈的三倍高
換句話說
如果有一層沙子 覆蓋750平方千米
約有紐約市面積那麼大 高到你的腹部
那麼這些沙子的數量
與沙粒中的原子量差不多
事實上 一些論壇聲稱
沙子中原子的數量遠不及 星球上的沙子數量那樣多
但這依然是個龐大的數字
讓你更好地了解到原子有多小
最後 我們要採用一個最為抽象 但也是最有趣的方法
你的身體包含多少原子呢？
鑑於一粒沙子裡都有上百億億個原子
所以沒必要用之前的方法去可視化這個數字
所以讓我們換一種方式
如果說做一根人肉香腸 會怎樣？
如果我們用絞肉機
把一個很壞的人 比如殺人犯或者律師
絞得很細 很細 很細
那麼這根香腸會有多長呢？
理論上用人製成的香腸到底有多長呢？
首先 我們要把他打碎到
最後只有一串的單個細胞
這條由人體細胞連成的線有多長呢？
當然 我們只能簡單估計人體中有多少細胞
並且 這比看上去要難很多
首先 人體細胞大小不一
例如 血細胞是很小的
只有一百五十分之一毫米寬
精子 人體中最小的細胞比血細胞還小
來看看圖的另一端
是脂肪細胞
體積是精子細胞的2萬倍
最大的細胞是卵子細胞
大到我們能用肉眼看見
此外 不同的細胞 在密度上也有差異
所以很難準確地計算人體內的細胞數量
通過把人體分成獨立的器官和部位
再把它們分成不同的細胞類型
科學家在2013年首次嘗試進行更準確的估計
結果表明 如果把人體內數不清的細菌和微生物去掉
平均每人體內約含有37萬億個細胞
如果我們假定細胞的平均直徑 是五十分之一毫米
那麼 全部細胞連起來的長度約為74萬千米即6萬英裡長
這樣的長度可繞地球十八圈
現在讓我們把細胞也打碎 變成單個原子
這時人體中由原子組成的線有多長呢？
我們之前已經知道
你的發梢就有3900億個原子
你可以簡單地認為你的每根毛髮
是由3900億條原子線組成的纜絲
如果你把它們接起來
那麼 一根13釐米5英寸的頭髮應該已經
足夠從地球連接到火星
但還不止於此
人類平均體重約為75千克也就是165磅
如果減去5千克微生物和食物
以及它們有關的一切
最終 我們由70千克或155磅的
肌肉 脂肪 血液和骨頭構成
因為地球上都是碳基生物
而且我們身體有65%都是水
因此 人體內三種最基本的元素是 碳 氧 氮
一點也不會人驚訝
實際上 它們佔據了人體元素含量的99%
因此就讓我們先別管那1%
只看這2/3的氫 1/4的氧 和1/10的碳
通過這些元素的原子質量
我們可以估算一個70公斤的人
由大約7000億億億個原子組成
那是7後面跟了27個0
這個數字到底有多大？
我們來看一下
如果我們用人毛髮粘成的墊子
覆蓋在整個行星的所有水和陸地
我們還要複製十四萬個行星
才能夠讓七千億億根的頭髮放得下
你身體裡的原子就是有這麼多
如果把它們列成一串
那這一串原子會有300萬億千米長
大概是10個秒差距或者32光年
若把一個人包含的原子伸展開 足以從地球連接到太陽
並來回100萬次
或者從太陽到離我們最近的恆星——比鄰星 往返四次
這件事還是有可能的
因為構成我們和宇宙中其他東西的原子非常小
希望經過這十分鐘的理論講解後
現在你對原子究竟有多小 有了更好的理解