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原子內部電磁場強度驚人,人類制造出電磁場強度在它面前不值一提
發布時間:2019-05-31
 

為了研究原子內部的電場強度,我們得先看看在宏觀世界里現有的技術能做點什么。從手電筒或者收音機里取出一枚電池,通常它可以提供幾伏特的電壓,并且正負極板之間距離大概為一毫米,折算下來正負極板之間的電場高達一千伏特每米。

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在SLAC( the Stanford LinearAccelerator in California,加州斯坦福直線加速器中心),通過電場可以將電子加速到接近3000km/s。為此他們在3千米的長度上加載了約300億伏特的電壓,其電場相當于一千萬伏特每米。這些高端科技得到的電場比一般電池要強得多,但是相比原子內部的電場卻不值一提。在加州斯坦福直線加速器中心,電場強度為10伏特每微米(百萬分之一米),而在氫原子中的電子和質子之間的電壓就高達數十伏特,而它們的間距平均只有十分之一個納米(百億分之一米)。原子內部的電場強度比現有宏觀技術能達到的最強電場還大一千倍,雖然原子電場的范圍被限制在原子尺度上。

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眾所周知,電荷同性相斥、異性相吸。在原子內部有兩種電荷帶負電荷的電子游弋在原子邊緣,帶正電荷的原子核位于原子中心。當兩顆原子互相靠近,一個原子內的帶正電的原子核會吸引另一個原子內帶負電的電子,會使兩個原子繼續靠近一點。由此,原子之間會相互吸引并凝聚在一起形成分子并最終形成宏觀物質。

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如今人類可以宏觀達到的最強電磁場與原子內部的電磁場相比都微不足道,這歸結于正負之間的平衡效應,無屏蔽的高能反向電荷存在于原子范圍內。當人們意識到這一點后,就能夠理解為什么即使速度高達14000km/s(光速的1/20)的a粒子,也會大角度地被原子偏轉,甚至被逼停再反射回去:原子內部的電場筑起了一座不可逾越的高大城墻。

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想要探索原子內部結構,人們需要比原子小得多的探針,比如盧瑟福就使用了a粒子作為探針。但實驗發現原子內部并不是空空如也,反而如石頭一般致密,將探針粒子全部拒之門外。這正是電場在作祟。托里拆利能將空氣從某個空間內抽走,但是絕不能將空氣原子內的致密電場抽走。帶電的原子核會對整個宇宙產生一種莫名的影響。即使將其他物質全部移走,這種影響也無法消除。

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電荷的移動會產生磁效應,磁效應可以傳播很遠,例如地心磁效應。我們這顆美麗星球的地心部分是旋轉的高溫熔巖,其高溫導致原子變得混亂,從而使原子內部的電子可以自由運動。電子運動形成的電流將地球變成了一個巨大的磁體,擁有南北兩極,并且將磁場延伸到太空中。地磁場強度要比重力場大得多,從而導致地球上的磁針偏轉。這一現象自古以來就被旅行者和遷徙候鳥用來指引方向。

總結一下:17世紀時,對于真空的探索才剛開始,但磁現象已經被人類所熟知。后來很快人們就發現磁和光都能穿過真空,雖然直到19世紀人們才真正了解了光、電場和磁場三者之間的深層次關系。在我們頭頂數千千米外,空氣已經幾乎不存在了,但是磁場卻遍布其間。這些磁場對我們來說意義重大。它們的磁力能夠將宇宙射線和帶高電荷的太陽風偏轉離開地球。這對于地球來說是一個至關重要的?;ふ?,因為暴露在這些射線下時我們的DNA將被破壞。如果這個磁場消失了,變得和現在的火星一樣,那么我們這個物種的末日也就到了。帕斯卡和畢雷(Perier)證明了地球之外是真空,沒有空氣。但是雖然太空里幾乎沒有空氣,但是卻有一些例如地磁場這樣的極為重要的存在體。