粉碎一個原子,比粉碎一個地球更難嗎?

2020-10-18 星辰大海種花家

很有意思的一個話題,原子曾經被認為是物質的最小組成部分,因此在二十世紀初盧瑟福α粒子散射之前,一直認為原子都是物質不可分割的一部分,因在那個時代,還真認為粉碎原子比粉碎地球要困難,但現在不一樣了。

原子內部的世界

在盧瑟福α粒子散射實驗之前,其實對組成物質的原子已經有部分認識了,因為電子是在原子核之前被發現的,因此科學界認為電子就像棗糕一樣鑲嵌在原子外壁上,而原子就是一個堅固的不可分割的部分,這就是湯姆遜原子棗糕模型的來歷。

1909年盧瑟福在英國曼徹斯特大學做了一個α粒子散實驗,環境挺簡單,用α粒子轟擊微米級別的金箔。

結果發現大部分α粒子都直接穿過金箔,只有極少數粒子發生了偏轉,另有比例大約只有1/8000發生90度偏轉,還有大角度偏轉的,無法用湯姆遜的棗糕模型來解釋。

因此在1911年,盧瑟福提出了自己的原子模型,此時距離真正的原子云原子模型已經很接近了。當然我們現在使用的原子模型是薛丁格的量子力學模型,因為電子這種基本粒子的運動方式遵守海森堡不確定性原理,它的速度和位置無法同時測定,因此眾多的電子在原子內部出現是一片概率雲的模式

盧瑟福原子模型在現在依然在原子認識入門時候會用到,因為這個方式更容易理解,而薛丁格的模型則是更是一個真實模型。

如何粉碎原子?

無論是薛丁格還是盧瑟福的原子模型,要粉碎是很簡單的,但卻不是用常見的粉碎方式,因為無論是擠壓還是研磨或者其他方式都不可能達到這個效果,因為粉碎原子不能用常規粉碎方式,只需極其簡單的方法即可!

加熱、加熱再加熱,一直到物質達到等離子狀態即可

等離子狀態就是粉碎了嗎?完全沒錯,因為等離子狀態就是電子游離了原子核成為自由電子,而失去了電子的原子核就成了離子,都將它們分離了,還不是粉碎嗎?

而且可以用電場將它們徹底分離,比如離子發動機用的就是這個原理,用電場將離子加速向後方排出,飛行器獲得前進動力,而電子則通過電子槍注入粒子羽流,讓它們會合在一起重新結合成原子,避免飛行器電荷累積。

原子真的就被粉碎了嗎?

假如我們認識就局限在盧瑟福和薛丁格的原子模型水平的話,其實上文就已經解決問題了,但偏偏不是,因為在原子內我們還認識到有原子核,是是質子和中子構成,兩者的組成又不一樣

質子:兩個上夸克+一個下夸克

中子:兩個下夸克+一個上夸克

膠子在兩者之間傳遞粘合力

因此要分離質子與中子的原子核的話還是很困難的,因為質子與中子之間有強大的結合能,想要分開他們,必須要有超過這個能量的輸入才有可能讓他們分離,當然在現代科學條件下,打開質子與中子並不難,加速器即可。困那的是如何打開中子和質子,因為它們都有三個快克構成,而由於夸克禁閉,似乎看起來無法通過加速器高能粒子撞擊的方式打開它,因此還是得用老辦法。

而這個老辦法就是溫度,只要達到夸克膠子的相變溫度,那夸克膠子就被打碎成了一盤夸克膠子等離子體,但其實這個溫度也是在加速器中實現的。現代高能加速器能達到宇宙誕生的10^-6S時夸克與膠子從能量中誕生時的溫度,也許未來能更高,但現在這個條件已經是極限了。

粉碎地球有多難?

從理論上來看這並不困難,因為把地球挖開運走不也是一種粉碎方法嗎?只要是建構,太陽都能搬空,但事實上這不可能,只能從地球的質量與直徑可以計算出地球的引力結合能方面來考慮,只要超過這個能量,就可以讓地球直接回到星雲時代,那麼這個能量有多大呢?

地球引力結合能:2.45X10^32J

用愛因斯坦的質能等價公式可以計算出這它需要多少質量轉換而來

2.73×10^15千克質量完全轉換為能量

按0.7%的比例計算,需要3.89×10^17千克氘元素才可以達到這個效果,海水中的氘含量為0.0018%,那麼需要2.1×10^22千克水來提取(2.1×10^19噸)

地球上總含水量約為:1.4×10^18噸

看起來似乎還差不少,不過人類能達到氕元素聚變在從氕聚變成氘,完成兩輪質子鏈反應,那麼摧毀地球不過是跟玩一樣。

因此從這點來看粉碎原子還是比較容易點,畢竟人類製造出的加速器已經達到了這個水平,但摧毀地球卻遙遙無期。

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