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物质为什么会有体积?物质体积的产生的最小基本单位是什么?

原创推荐 来源:网络 编辑:小蜜蜂 2019-08-20 14:20:31 浏览:

  物质具有体积,并且物质也是占据一定的空间的。这个是我们的认知的常态,但是为什么物质会有体积呢?组成物质的体积的最小的基本单位是什么呢?这个问题涉及到很多的科学的问题,不过在当前的科学研究之下,时间、空间和物质三者组成了这个世界的基本需求,这三者是三维世界中不可分割的三位一体。研究清楚了这三者之间的关系我们就能解决很多简单但是又很有趣的问题,比如物质为什么会有体积的问题。

物质为什么会有体积?物质体积的产生的最小基本单位是什么?

  物质之所以会有体积是因为物质的基础是原子,而原子是有体积的并占据一定空间。

  原子由原子核和电子组成,当两个原子彼此靠近时,带有同样电荷的电子之间会相互排斥,这就是著名的同性电荷相互排斥定律,无论是否形成电子对,这样的阻力都会阻止原子彼此嵌入。

  原子本身是有大小的,而原子彼此间又不能重叠在一起,因此合乎逻辑的推论自然是:

  由原子组成的物质将会拥有体积并占据空间

  那么原子到底有多大呢?

  这世上不止一种原子,元素周期表上面列出的就是人类已经发现的所有原子,其中还包括宇宙中不存在,纯粹人造的原子,但它们都非常不稳定,很快就发生放射性衰变转变成其他稳定原子了,不同的原子大小也有微弱差异,总的来说原子大小遵循一个简单的规律,同一列的原子从上到下逐渐变大,同一行的原子,从左往右逐渐变小(这涉及到原子核吸引力和电子运动之间的复杂关系)。

  卤族元素氟氯溴碘的原子半径分别为64pm、99pm、114pm、135pm (pm 皮米,万亿分之一米,10^-12米),逐渐增大,这是因为它们是同一列的元素,随着原子量变大,其原子的半径也逐渐变大。由于原子近似可以看成一个球形,因此知道了它的半径,就能用球体公式算出原子的体积。

  虽然每个原子的体积都很小很微不足道,比如氟原子的体积大约为1.097*10^-30立方米,但宏观世界的物质都是由许许多多个原子组成的,著名物质单位摩尔中,经过实验测定发现1摩尔物质含有约6.02×10²³个微粒(爱因斯坦当年还做过摩尔的理论计算呢),对于简单物质,这意味着含有6.02×10²³个原子,对于大多数物质,则通常对应着6.02×10²³个分子,分子也是由原子构成的。规定摩尔这个单位,主要是为了方便计算,比如1摩尔水的质量大约是18克,而水的相对分子量也同样是约18。

  物质占据的体积,不仅仅和原子的体积有关,还取决于其它因素,比如固液气的转化,会导致体积发生剧烈变化。

  1摩尔氟气就含有6.02×10²³个氟气分子,而在1个大气压零摄氏度(标准状态)的情况下,它占据22.4升的空间。让我们计算一下,所有氟气分子的总体积应该是多少?

  6.02×10²³×1.097*10^-30(氟原子体积)×2(每个氟气分子由两个原子组成)

  = 1.32×10^-6立方米

  每立方米=1000升

  那么氟气分子只算分子堆叠在一起的体积,它只该占据1.32×10^-3升呀!

  那为什么在标准状态下,1摩尔氟气分子会占据多达22.4升空间呢?

  这就涉及到物质的状态了,物质有最基本的三种状态,固液气。(实际上更多,不过这里只说这三种)。在这三种状态下,物质的量不变,但物质占据的空间体积却会发生剧烈变化,多数情况下,固体的体积小于液体小于气体!所以,当氟气是气体时,它在标准状态时,也就是一个大气压和零摄氏度时,1摩尔氟气就会恰好占据22.4升的空间呢。

  炸药之所以会发生剧烈的爆炸,就是因为通过化学反应,它会从固、液态物质转变成新的气态物质,于是体积发生剧烈膨胀,这就会产生爆炸现象。

  剧烈爆炸引发局部空气迅速膨胀,改变了局部空气密度,引发折光效应,在高速摄像机的影像中形成肉眼可见的冲击波行进途径。冲击波是爆炸造成人员伤亡的重要原因,如果在太空或月球上,由于没有大气,爆炸的威力也将被削弱。

  所以,物质之所以占据空间,不仅仅是因为构成物质的原子是要占据空间的,还要考虑物质所处的特殊状态或者物理属性。比如,水在一个大气压下凝结为固态时的体积竟然比在液态时更大,这让冰的密度小于水,这对地球生命的生存意义重大!

  终极追问:原子为何要占据空间?主要是因为神出鬼没的电子。

  因为电子在空间中闪现,让原子需要占据巨大的空间,从原子质量分布的角度看,原子内部似乎十分空旷,因为原子核占据原子质量的九成九以上,而原子核本身的体积很小,所以在早期的科普中通常都说原子几乎是空的,相比起原子核所占据的空间而言,原子内部空间十分巨大!但现在新的粒子物理学家不在这么看待原子,他们认为用原子内部是空的这种说法是一种误导,因为原子内部并不存在没有粒子没有能量的绝对真空。

  恒星可以进一步帮助我们理解原子的大小

  要更加深刻地理解原子的体积,我们还可以借助天文学的帮助,当恒星在生命后期通常转变为白矮星、中子星和黑洞。这其中白矮星和中子星对于我们理解原子会很有帮助。

  在巨大的引力作用下,原子和原子被彻底挤压在一起,原子核和原子核彼此融合,由此形成一个怪异的超巨大原子,这就是白矮星上发生的事情。白矮星的体积相比起恒星发生了剧烈收缩,它将收缩到差不多地球大小,但同时还保留了大约一半恒星的质量,这导致在白矮星上,每立方分米物质的质量达到1吨!

  但白矮星并不是体积最小的星,如果质量继续增加,最终白矮星上的电子会被压缩进原子核中,同时原子核中的质子和电子结合转变成中子,整个星体现在都由中子构成,这时候星星的体积不增反减,继续收缩大约一千倍,典型中子星的直径只有10公里,但质量超过一个太阳的质量。中子星上物质的密度更加惊人,一个乒乓球大小的体积就能达到惊人的10亿吨。

  所以,这告诉我们一件事,原子的体积和原子的质量相比,具有极大的水分,原子的大小可以被大幅度压缩,当然这需要非常强大的压力,在白矮星和中子星中依赖的是足够多的物质形成的巨大万有引力,如果继续增加,超过量子物理学能提供的斥力,那么星星将最终转变成黑洞,至于黑洞的奇点是否有体积,这是目前尚未完全得到解决的问题,一些物理学家认为,黑洞奇点也具有一个最小体积。

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