原子 构成你周遭一切的基础
众所周知 原子是相当小的
不过谈到原子实际上有多小的时候
事情就开始变得有趣起来
因为这个问题很难直观地进行回答
当然 我现在可以告诉你
碳原子的直径只有1.4×10ˉmm
但是这样的数字太抽象了
很难让人对原子的大小有一个直观的感觉
同样 我也可以说
1立方米的钻石里头含有1.75×10个原子
但这个事实仍然很难让我们真正理解原子的大小
想要更好地描述原子的大小
我们需要一个更形象的情境
这也是我们今天要做的事
因为我们要讨论的尺度很小
很难把它说清楚
接下来我们会用三种方式来进行描述
希望你们看完视频 都可以对原子的大小有一个更清晰的理解
《动画事实》
开始之前 我们先简单了解一下
对美国人来说 一毫米有多长
毕竟一英寸的尺度对于原子来说太大了
看一下这把尺子
这个长度是一英寸
这个长度是一毫米
所以一毫米差不多是一英寸的1/25
或者说 是这把尺子的1/16的2/3大小
所以当我说1mm的1/5时
就是蓝色区域的1/5那么大
好 现在开始吧
毛发是肉眼可见的 最小的东西之一
所以非常适合从毛发入手 来讲解原子的大小
一方面因为它很细
所对应原子的数量不会大得离谱
而另一方面
是因为每个人对毛发的粗细都有清晰的认知
当然 毛发的粗细是不一致的
不过头发通常粗1/10毫米
此外 原子的大小也并不一致
原子的尺寸取决于元素的种类
原子所处的化学环境 甚至原子的排列方式
我们的原子模型只是一个简单的示意
我们喜欢把原子看作一个标准的球形
但事实并非如此
为了做这个视频 我们还会用到一些图像
对于我们体内含量第三的碳原子来说
140pm是一个比较准确的直径值
大概是就1mm的七百万分之一
这意味着把70万个碳原子串起来
才和毛发的平均粗细相等
这很好地说明了原子到底有多小
但70万依然是个难以想象的数量
尤其是对于人类毛发这么小的东西来说
但是如果我们把每个原子的直径
都放大成一根毛发的直径的话
这个时候原子才刚好能被肉眼观察到
如果这么做 令人惊讶的是
毛发会有70米 或者说230英尺厚
这就和伦敦的大本钟差不多高了
当然 这70万个原子
形成的还只是一条一维的线
要充分地认识到这些细小原子的数量
我们需要从整个三维的角度去看
所以接下来看一下一整个平面
如果我们用碳原子铺满一根毛发的横截面会怎样
让我们简单计算一下
要是我们把35万个原子当作半径
代入到圆面积公式当中
可以算出来这个横截面上有3900亿个碳原子
这还只是一根毛发的横截面而已
就能有这么多的碳原子
为什么这个数字很重要呢?
我们之前说过0.1mm宽的物体
(人类毛发就是那么宽)
是肉眼能辨别的最小尺寸
这表明头发丝横截面
是我们肉眼可见的最小的点
而这个截面有着3900亿个碳原子
至少在理论上 这是肉眼可见的最小原子面积
因为单层碳原子可以吸收
约2%—3%的白光让它变得有些不透明
这样小的点若没有更多层原子吸收光
会变得透明而无法被观察到
还有 要是你从发尾剪下一根头发 并放在两指间挤压
使其只有末梢露出来
那么这个顶端有3900亿个碳原子
一个非常大的数字
为了让这个数字能更直观
我们把头发像之前那样放大
这次 想象一个由人类头发紧密挨在一起组成的
70米或230英尺厚的刷子
一个人大约有十万根头发
那么这个刷子要剃掉约四百万人的头发
如果每根头发代表一个原子
那你的头发尖端就含有
和这些头发一样多的碳原子
而这仅仅是一层原子
还有一个维度需要去探索
这时的数量就真的是个天文数字了
但为了这个任务
我们将目光转到
一个更容易看清细节的物体
让我们看下第二个方法
一粒沙子
这次我们使用一粒沙子 来讲解原子的大小
沙子的平均直径为0.5mm
大概是头发丝的五倍粗
技术上说 沙子是由特定物质组成
只能由特定的大小定义
它比砾石细 但比淤泥粗
不管怎样 沙子由二氧化硅组成 即石英
沙粒重约200微克
将二氧化硅的摩尔质量带入计算
我们可以计算出1g沙子中 约有10^22个分子
因为一个二氧化硅分子中有三个原子
故1g沙子中共有6×18的十次方个原子
也就是600亿亿个原子
和之前一样 假设将每个原子放大到沙粒那么大
沙子大约会有1100米 或者3600英尺高
是帝国大厦的三倍高
换句话说
如果有一层沙子 覆盖750平方千米
约有纽约市面积那么大 高到你的腹部
那么这些沙子的数量
与沙粒中的原子量差不多
事实上 一些论坛声称
沙子中原子的数量远不及 星球上的沙子数量那样多
但这依然是个庞大的数字
让你更好地了解到原子有多小
最后 我们要采用一个最为抽象 但也是最有趣的方法
你的身体包含多少原子呢?
鉴于一粒沙子里都有上百亿亿个原子
所以没必要用之前的方法去可视化这个数字
所以让我们换一种方式
如果说做一根人肉香肠 会怎样?
如果我们用绞肉机
把一个很坏的人 比如杀人犯或者律师
绞得很细 很细 很细
那么这根香肠会有多长呢?
理论上用人制成的香肠到底有多长呢?
首先 我们要把他打碎到
最后只有一串的单个细胞
这条由人体细胞连成的线有多长呢?
当然 我们只能简单估计人体中有多少细胞
并且 这比看上去要难很多
首先 人体细胞大小不一
例如 血细胞是很小的
只有一百五十分之一毫米宽
精子 人体中最小的细胞比血细胞还小
来看看图的另一端
是脂肪细胞
体积是精子细胞的2万倍
最大的细胞是卵子细胞
大到我们能用肉眼看见
此外 不同的细胞 在密度上也有差异
所以很难准确地计算人体内的细胞数量
通过把人体分成独立的器官和部位
再把它们分成不同的细胞类型
科学家在2013年首次尝试进行更准确的估计
结果表明 如果把人体内数不清的细菌和微生物去掉
平均每人体内约含有37万亿个细胞
如果我们假定细胞的平均直径 是五十分之一毫米
那么 全部细胞连起来的长度约为74万千米即6万英里长
这样的长度可绕地球十八圈
现在让我们把细胞也打碎 变成单个原子
这时人体中由原子组成的线有多长呢?
我们之前已经知道
你的发梢就有3900亿个原子
你可以简单地认为你的每根毛发
是由3900亿条原子线组成的缆丝
如果你把它们接起来
那么 一根13厘米5英寸的头发应该已经
足够从地球连接到火星
但还不止于此
人类平均体重约为75千克也就是165磅
如果减去5千克微生物和食物
以及它们有关的一切
最终 我们由70千克或155磅的
肌肉 脂肪 血液和骨头构成
因为地球上都是碳基生物
而且我们身体有65%都是水
因此 人体内三种最基本的元素是 碳氧氮
一点也不会人惊讶
实际上 它们占据了人体元素含量的99%
因此就让我们先别管那1%
只看这2/3的氢 1/4的氧 和1/10的碳
通过这些元素的原子质量
我们可以估算一个70公斤的人
由大约7000亿亿亿个原子组成
那是7后面跟了27个0
这个数字到底有多大?
我们来看一下
如果我们用人毛发粘成的垫子
覆盖在整个行星的所有水和陆地
我们还要复制十四万个行星
才能够让七千亿亿根的头发放得下
你身体里的原子就是有这么多
如果把它们列成一串
那这一串原子会有300万亿千米长
大概是10个秒差距或者32光年
若把一个人包含的原子伸展开 足以从地球连接到太阳
并来回100万次
或者从太阳到离我们最近的恒星——比邻星 往返四次
这件事还是有可能的
因为构成我们和宇宙中其他东西的原子非常小
希望经过这十分钟的理论讲解后
现在你对原子究竟有多小 有了更好的理解
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