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深度长文:原子里几乎全是空的,为什么光却穿不过一堵墙?

赏金女王为你整理相关体育消息:

先把问题反过来问。

你现在转头看一眼窗户,玻璃后面的楼、树、云,清清楚楚。

再看一眼旁边的墙,白花花一片,什么都看不见。

奇怪的不是墙,是玻璃。

真的,你想想,玻璃和墙里面的东西,都是原子;

原子按教科书的说法,内部空旷得离谱。

要是把原子放大到体育场那么大,原子核就是中间的一颗豆子,电子是看台上若隐若现的几粒灰尘,剩下的地方全是"空"的。

那光凭什么过不去?

再往深里问一句,光凭什么能过去?

我们从小到大听到的问法都是"原子这么空,为什么物质不透明",其实这个问法把两件事都搞错了。

第一,原子根本不是那个样子;

第二,透不透明,跟空不空一点关系都没有。

这篇就聊聊,光到底栽在谁手里。

那个"体育场里的豆子"的图,来自一百多年前卢瑟福的实验。

他让人用粒子轰金箔,发现绝大多数粒子直接穿过去了,极少数被狠狠弹回来,于是推断出原子中间有个很小很硬的核。

实验没问题,问题出在后来的示意图上。

图上总喜欢画一个小圆点核,几个电子绕着它画圈圈,像行星绕太阳。

这个模型害了不少人,它暗示电子是个小球,有自己的位置,在轨道上跑,轨道之外就是空的。

真不是这样。

电子没有轨道,也没有一个确定的位置。

你只能说它在原子核周围某些地方出现的概率大,某些地方概率小,把这些概率画成一团雾,就是"电子云"。

注意,云不是"电子跑得太快糊成了一片",而是电子本来就是这个样子,它没有一个更具体的轮廓等着你去看。

光子也一样。

别把它想成一颗飞过去的小珠子,它是电磁场的一小团激发,或者说,是一小段电磁波。

所以"原子内部空不空"这个问题,在微观尺度上根本不成立。

那里没有"东西"和"空地"的分别,只有场。

场强的地方你说"有粒子",场弱的地方你说"空",可场铺满了整个空间,没有真正的真空地带。

电子场和电磁场为什么会扯上关系?

量子电动力学管的就是这事,英文缩写 QED,听着很唬人。

它说这两个场在最底层是耦合在一起的,说白了,天生牵着手,一个动了,另一个不可能没感觉。

那光走进原子,到底会发生什么?

光,本质上是一个来回振荡的电磁场,一秒钟振荡好几百万亿次。

原子里的电子带负电,被这个电场一拽,就会跟着晃。

就像推一个秋千。

秋千有自己的节奏,你顺着它的劲儿推,它就越荡越高;

你乱推,频率对不上,推十下还不如人家推一下,秋千基本不理你。

原子就是一大堆秋千。

电子被束缚在原子核周围,能待的能量状态是一格一格的,物理学叫"能级"。

电子想从低的一格跳到高的一格,必须拿到一份不多不少、刚好等于两格之差的能量。

这份能量光可以给,但得凑得准。

光子的能量由频率决定,频率越高,能量越大。

红光的光子劲儿小,蓝光的光子劲儿大。

一个光子撞进原子,能量刚好等于某个能级差,电子就一口把它吃掉,跳上去,这叫共振吸收;

对不上,原子就摆摆手,光子该干嘛干嘛去。

物理学家算这种"吃掉"的概率,有个名字特别唬人的公式,叫费米黄金定则。

名字听着像刻在石板上的真理,其实它干的事就一件:告诉你单位时间里电子被踹上高能级的概率有多大。

公式里藏着两个关键。

一个是"这一下配合得默不默契",专业名叫矩阵元,你可以理解成秋千的绳子顺不顺手。

另一个更要命,叫"末态密度",意思是电子跳上去之后,有没有地方落脚。

能量刚好对上,上面密密麻麻全是可以待的位置,吸收概率就疯涨;

能量对不上,上面一个坑都没有,概率直接归零。

简单到近乎废话:得有坑,还得跳得上去。

核物理学家有个偷懒的办法,把这些概率打包成一个词:截面。

什么意思呢?

你别管原子实际多大,就看它对某种光表现出来的"有效大小"。

光被吃掉的概率高,就当这个原子在这种光面前特别大;

概率低,就当它特别小。

这个大小能差多少?

离谱。

共振的时候,哪怕电子和光的配合本身很弱,经过共振一放大,吸收速率能涨好几个数量级,实验上常见的是百万倍。

你没看错,同一个原子,在对胃口的光面前,"体型"能膨胀一百万倍;

在不对胃口的光面前,它小得像一粒灰尘,光几乎感觉不到它的存在。

所以"原子那么小、那么空,怎么挡得住光",挡光的从来不是它的个头,是它跟光之间那点电磁作用。

对不上频率,它就是透明的;

对上了,它比一堵墙还狠。

顺便说一句,对不上频率不代表光完全没反应。

电子虽然没被拽到高能级,但还是会被晃得轻轻一抖,这一抖会让光的速度慢下来,这就是折射。

玻璃里的光比真空里慢,就是这么来的。

透明的东西照样能弯光、反光,"透明"和"完全不搭理"是两码事。

到这里说的都是单个原子。

单个原子的口味非常刁,只吃几个固定频率的光,其他的一概不碰。

太阳就是个好例子。

当年科学家拿三棱镜拆太阳光,拆出一道彩虹,彩虹里夹着一条条细细的黑线,好像某些颜色被谁吃掉了。

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氦这种元素,就是 1868 年先在太阳的光谱里发现的,过了二十多年才在地球上找到,它的名字 Helium,来自希腊语里的"

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