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原子比头发丝还细100万倍,单个原子的大小怎样测出?(原子的大小是如何界定的)

发布:2024-09-29 浏览:47

核心提示:吸附在铜表面的铁原子小小的原子是物质的基本组成单位,地球上几乎所有的物质都是由原子组成。原子非常小,比人类的头发还要细100多万倍。那么,物理学家是如何“量出”原子的大小呢?原子的结构原子虽小,但它们还有内部结构,并非最基本的粒子。原子由带正电的原子核和带负电的电子构成,原子核则由带正电的质子和不带电的中子构成。不过,氕原子核,也就是氢-1原子核,是个例外,这种原子核只有质子,没有中子。原子结构在原子中,质子和中子通过强核力束缚在一起形成原子核,电子通过电磁力与原子核束缚在一起。原子核是原子中心的一个很小

吸附在铜表面的铁原子小小的原子是物质的基本组成单位,地球上几乎所有的物质都是由原子组成。
原子非常小,比人类的头发还要细100多万倍。
那么,物理学家是如何“量出”原子的大小呢?原子的结构原子虽小,但它们还有内部结构,并非最基本的粒子。
原子由带正电的原子核和带负电的电子构成,原子核则由带正电的质子和不带电的中子构成。
不过,氕原子核,也就是氢-1原子核,是个例外,这种原子核只有质子,没有中子。
原子结构在原子中,质子和中子通过强核力束缚在一起形成原子核,电子通过电磁力与原子核束缚在一起。
原子核是原子中心的一个很小区域,这里几乎构成了一个原子的全部质量,原子核外的其余原子部分大都是空的。
虽然电子质量占比非常小,但它们决定了原子的大小。
原子半径与测量尽管原子的结构看似简单,但一个孤立原子的确切大小很难描述,因为原子没有确定的外边界。
在引力的作用下,行星环绕恒星运动的轨道是确定的,我们可以精确预测出行星在任意一个时间所处的位置,并能知道行星的轨道半径。
然而,对于电子的绕核运动,我们无法进行精确预测。
电子云根据量子力学的不确定性原理,电子并没有一个精确的运行轨道,它们会随机出现在原子核周围的任意位置,并且我们无法同时测量出电子的位置和速度。
我们只能通过概率密度来描绘电子在某个位置出现的概率,这就是所谓的电子云。
原则上,原子核的中心到电子云边缘的距离是原子半径。
但问题是,电子可以出现在任意地方,甚至可以距离原子核无限远,所以电子云的边缘没有明确的定义,这使得原子的大小也没有明确的定义,测量单个原子的大小是不可能的。
另外,原子所处的状态不同,半径也会变得不同。
根据不同的定义,原子半径主要有以下几种:氢原子(1)玻尔半径根据玻尔模型,电子会在特定轨道上环绕原子核运动,电子所处的轨道能量最低,这个半径被称为玻尔半径,它能在理论上计算出来。
(2)共价半径如果两个原子形成共价键,共用电子,那么,这两个原子核之间距离的一半被定义为共价半径。
化学键的长度可以用X射线、电子、中子衍射和微波光谱来测量。
通过转动光谱可以计算出分子的转动惯量,从而能够算出共价键的长度,这样就能确定原子的共价半径。
共价半径和金属半径(3)金属半径在金属中,金属离子会与离域电子之间产生静电力作用,金属原子之间会形成金属键。
就像共价半径那样,相邻两个金属原子核之间距离的一半被定义为金属半径。
当一束X射线穿过晶格状排列的金属时,在其特征图案中形成一种清晰的斑点图案,可以从这种图案中反向计算出晶体结构和金属半径。
在元素周期表中,越往下的金属半径越大,因为价电子处在更大的轨道上。
如果从左到右来看元素周期表,那么,金属半径会逐渐变小,因为随着原子核中质子数的增加,原子核倾向于把电子更紧密地保持在同一层轨道中,导致原子半径反而随着质子数的增加而变小。
离子半径(4)离子半径类似于金属半径,离子晶体(比如氯化钠)的相邻两个离子间距的一半被定义为离子半径。
通过X射线衍射的原理,再结合相关理论公式,可以测出离子半径。
(5)范德华半径如果原子之间是通过范德华力而产生相互作用,并没有成键,那么,相邻两个原子核之间距离的一半被定义为范德华半径。
根据范德华方程,结合范德华常数,可以计算出范德华半径。
原子大小原子有多大?虽然不同原子之间的质量差别很大,但它们的尺寸都差不多。
例如,钚原子的质量是氢原子的200多倍,但钚原子的直径只有氢原子的3倍左右。
根据测量,原子的直径一般在0.1至0.5纳米,即1×10^-10至5×10^-10米。
扫描隧道显微镜下的硅原子为了观测到单个原子,只能通过扫描隧道显微镜(STM)。
这是因为原子的尺寸非常小,比可见光波长还要短得多,所以光学显微镜无法直接分辨出单个原子。
扫描隧道显微镜不仅能够分辨出单个原子,甚至还能精确操纵单个原子。
原子究竟有多小,可以通过一个直观的例子来感受一下。
如果把一个玻尔半径为0.05纳米的氢原子放大为半径为2厘米的乒乓球,那么,乒乓球将会变得比地球还大。

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