刀能切开物体,是刀刃进入了物体原子的缝隙还是将原子切碎了?
在今天的开篇前 , 先来提一个假说:如果有一根1个纳米宽 , 足够结实的线来切割人的身体 , 能否将人切断?(文末解答)
今天我们来聊一聊 , 在切割分离物体时 , 在微观层面到底发生了什么 , 是什么被分离开了 , 是原子核 , 还是分子 , 还是其他?
切人魔术
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物质是靠什么结合在一起的?
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以水来举例:
单个氧原子核由8个质子通过核力组合后再与8个中子聚合而成;
单个水分子由2个氢原子和1个氧原子通过化学键组合而成;
而水分子之间通过氢键作用聚合而成为纯水 。
化学键是纯净物分子内或晶体内相邻两个或多个原子(或离子)间强烈的相互作用力的统称 。 化学键是一种力 , 并不是一种实物结构上的连接 。
强大的核力
20世纪初 , 人们只知道自然界存在着两种力:一种是万有引力 , 另一种是电磁力 。 对于带电粒子 , 在相同的距离上这两种力的强度差别很大 , 电磁力大约要比万有引力强10^35倍 。 (110的35次方倍)反正就是很大的差距吧 。
基于这两种力的性质 , 原子核中的质子(带正电)如果要靠自身的万有引力来对抗相互间的库仑斥力(带正电粒子之间相互排斥的电磁力)是不可能的!核物理学家猜想 , 原子核之间一定还有第三种相互作用的力存在 , 即存在着一种核力 , 是可以把质子紧紧地束缚在核内 , 形成稳定的原子核 。 后来的实验证实了科学家的猜测 , 并进一步揭示了核力的性质与特点 。
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核力是强相互作用力(强力)的一种表现 。 在原子核的尺度内 , 核力比库仑力大得多(170多倍左右) 。 所以质子不会被正电荷间的斥力给弹开 。
核力有一种非常形象的比喻 , 就像好兄弟好基友之间纯洁的友情一样牢固 。 核力有一个特点:即核力在大于0.8*10^-15m时表现为吸引力 , 且随距离增大而减小 , 超过1.5*10^-15m时 , 核力急速下降几乎消失;而在距离小于0.8*10^-15m时 , 核力表现为互斥力 , 因此核子不会融合在一起 。 你懂的 , 好兄弟可以好到睡一张床 , 但是绝对不会相互“进入”对方 。
切开原子难吗?
首先明确一下切开的定义 , 以硅原子为例 , ,一个硅原子由14个质子、14个中子和14个电子组成 。 切开原子的意思是说把通过外力把硅原子核中的质子与质子或中子分开的话就算切开成功了 。 而要做到这个只需要切断质子之间的核力即可 。
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
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但是其实我们无法做到去切一个原子核 , 因为以我们人类目前的技术 , 无法做出这么薄的刀片 。 我们在生活中用的任何一种切割工具的刀口宽度都远远大于原子核的宽度非常多!
下图是一把美工刀的刀口 , 显微镜下刀刃宽度是7微米 。 7微米=7000纳米 , 原子核的宽度0.1纳米 , 各位细品 , 这就好比用7万个人排成一排的刀口 , 来“切”你一个人 。
显微镜下的美工刀刀刃
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