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【大象讲堂12】没有电子世界会变成什么样子?

【大象讲堂12】没有电子世界会变成什么样子?

大家知道,高中课本上描述原子用的是“足球场模型”:假设原子像一个足球场那么大,那么原子核就像一个足球大小,空旷的空间只有细微的电子绕着核高速旋转。

由于电子速度可以达到光速,原子空间又太小,所以几个电子就可以像云雾一样弥漫整个空间,也称核外电子也叫作“电子云”。电子云的大小决定了原子的大小和很多物理特性。



一、原子核和电子的模型



下图形象示意了原子结构,原子核位于中央,由带正电的质子和不带电的中子组成,电子绕原子核高速运动。但是这个比例无法画出实际情形:原子核应该小的看不见,电子云应该密不透风的云彩填满整个原子空间。


原子结构示意图

物质中的电子一般有三种存在方式,束缚电子,共价电子和自由电子。为了便于理解,我们画出二维平面图如下图所示。

物质中三种电子示意图

图中显示了六个原子,其中:

红色圆点代表原子核。如果按比例的话,原子核会小得看不见。原子的绝大多数质量都集中在原子核。相比原子核来说,电子的质量可以忽略不计。原子核是物质质量的基础。
蓝色圆圈表示束缚电子,它只会绕核旋转,按照能量最低原则填充,越靠近核的电子能量越低,远离核的电子能量越高,电子优先填充低能量的轨道,它是原子大小和物理特性的基础。
绿色圆圈代表共价电子,它会绕自己的核旋转的同时,与周围的原子核共用电子,它是元素形成物质及化学特性的基础。由于共价电子其实也是束缚在核周围,只是在与其他原子共用电子,也可以说它是一种束缚电子。
黄色线表示自由电子,它不受任何核约束,可以绕核旋转,也可以在原子之间流浪,甚至飞出物质表面,它可以受外界电场驱动形成电流。它是电学特性的基础。


二、电子的作用



正是由于束缚电子永恒不变的绕核运动,才是原子有固定的大小和硬度。它们可以亿万年一直以高速围绕原子核一直旋转,既不会飞出去,也不会坠落在原子核上。

而共价电子的存在,使物质世界变得更加复杂多彩。如果电子只围绕自己的核转,那就如惰性元素一样,也不会形成分子,乃至大分子及化合物有机体等。

当原子最外层的电子绕着两个以上的原子核旋转,这样会把多个原子“绞合”在一起成为分子,从而构成了丰富多彩的物质世界。

而自由电子用途也很大,它们的存在使得电流成为可能。在当今的科技时代,我们接受的所有电子信息都是他们的功劳。电磁波靠自由电子传递,手机电脑都是靠准自由电子在金属和硅晶体中定向运动。

人体能形成并工作也少不了电子的贡献:蛋白质氨基酸等大分子都是靠电子的共价键结合而成,属于束缚电子的功劳。而神经系统传递信息和大脑处理信息都需要自由电子来完成。



三、没有电子世界会变成什么样子呢?



首先,没有自由电子,所有通讯工具将无法使用,因为它们用自由电子传递信息和能量,包括人体的神经系统也无法工作。

其次,没有共价电子,我们看到很多物质都不会存在。比如水分子就是由一个氧原子和两个氢原子共用电子而形成的,没有水就没有生命。而构成生命的蛋白质只不过是共价键以各种形式“绞合”在一起的碳氢氧氮复合物。

再次,没有束缚电子,原子也会塌陷,本来足球场那么大的原子,就会变成只有一个足球那么大。没有电子是无法想象的。我们有必要了解一下什么是电子小档案:

电子也有波粒二相性

电量:e=1.6×10⁻¹⁹C
质量:9.1×10⁻³¹kg
大小:接近0
能量:5.×10⁵eV
从这些参数可以看出,电子非常小,是一个无法再分的最小点,它们自带负电,但不知道它们带电的机理,它既是粒子还具有波的属性。科学家研究电子也有带正电的,叫“正子”,正子和电子一旦相遇就会湮灭成为光子。



四、宇宙中还真存在没有电子的星球



我们知道宇宙中有一种“中子星”,它就没有带负电的电子和带正电的质子,全部是中子。它的密度为每立方厘米重1亿吨以上 , 此密度也就是原子核的密度,是水的密度的一百万亿倍。 如果把地球压缩成这样,地球的直径将只有22米!


蓝色发光中子星的空间

也就是说,没有电子的话,地球只会有一架普通飞机那么大,如果那上面还有人的话,人体应该更是比针尖还小了。所以,没有电子这个世界无法想象的,世界真奇妙。(大象20200417)


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