用手捏碎一個(gè)雞蛋并不容易，那么捏碎一個(gè)原子需要多大的力量呢？

不知道大家有沒有捏過雞蛋，雞蛋雖然掉在地上很容易碎，但是徒手想要捏碎它卻是一件不容易的事。當(dāng)受力均勻時(shí)，雞蛋殼可以承受幾十公斤以上的力量，這得益于雞蛋殼的特殊形狀。只有當(dāng)受力不均勻時(shí)，人類才能徒手將雞蛋捏爆。

腦洞時(shí)間到！雞蛋是由原子構(gòu)成的，那有沒有什么方法可以將一個(gè)原子夾住，并將之捏碎呢？如果可以捏碎，又需要多大的力量？

知己知彼，百戰(zhàn)不殆。想要捏碎原子，就要先了解它的性質(zhì)。下面就跟隨我一起進(jìn)入奇妙的原子世界。

原子世界之旅

天上飄的白云，地下跑的馬兒，都是由原子構(gòu)成的。原子這個(gè)概念很早就出現(xiàn)了，古希臘哲學(xué)家德莫克利特最早提出了古代原子論，他認(rèn)為萬物都是被稱之為原子的微粒組成的。17世紀(jì)，經(jīng)過眾多化學(xué)家的不斷實(shí)驗(yàn)，人們正式確認(rèn)了原子的存在，道爾頓從科學(xué)角度正式提出了原子理論，不過那時(shí)認(rèn)為原子已不可再分。

原子能不能捏碎呢？當(dāng)然能，因?yàn)樵右彩怯筛镜牧Ｗ訕?gòu)成的。原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的，原子核又是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。

人類對(duì)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探索耗費(fèi)了數(shù)十年的時(shí)間。1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，1912年盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子核，并在1918年發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，由于中子不帶電，到了1932年才由盧瑟福的學(xué)生查德威克發(fā)現(xiàn)。

這些大大小小的粒子是怎么結(jié)合到一起并構(gòu)成原子的呢？同種電荷相斥，異種電荷相吸。而質(zhì)子帶正電，中子不帶電，電子帶負(fù)電，要想結(jié)合在一起，質(zhì)子就必須要克服庫(kù)倫斥力。其實(shí)在自然界中有4種基本力，質(zhì)子、中子是靠強(qiáng)核力結(jié)合在一起的。強(qiáng)核力的作用范圍很有限，僅限于原子核內(nèi)，但作用效果卻比電磁力大170多倍。電子則是靠電磁力與原子核結(jié)合到一起的。此外，原子與原子之間又靠電磁力結(jié)合成為分子，并構(gòu)成世間萬物。

既然原子是由一定數(shù)量的質(zhì)子、中子和電子通過強(qiáng)核力與電磁力結(jié)合在一起的，那么想要將其捏碎，就必須要施加比這更大的力量。

如何操縱一個(gè)原子？

想要捏碎一個(gè)原子，得先控制住它，防止它溜走，形象點(diǎn)說就是得把它緊緊地攥在手里。

可是原子很小，究竟有多小呢？原子與黃豆的大小之比就如同黃豆與地球的大小之比。原子的平均直徑大約在10^-10米這個(gè)數(shù)量級(jí)，也就是0.1納米的級(jí)別左右，比如氫原子的直徑大約為0.07納米。咱們從數(shù)量上來說明，以7納米工藝制成的指甲蓋大小（一平方厘米左右）般的麒麟980芯片就包含了69億個(gè)晶體管。

原子核就更小了，直徑在10^-15~10^-14米這個(gè)數(shù)量級(jí)，體積僅為原子體積的千億分之一，但質(zhì)量卻占了99.9%以上。形象點(diǎn)來說，如果原子相當(dāng)于一個(gè)足球場(chǎng)，那么原子核就相當(dāng)于足球場(chǎng)中的一粒米。

原子雖小，卻并沒有難倒科學(xué)家。目前科學(xué)家們已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室中操縱單個(gè)原子了，這主要得益于掃描隧道顯微鏡（SEM）這個(gè)工具的發(fā)明。利用掃描隧道顯微鏡不僅能夠觀察單個(gè)原子，在超低溫狀態(tài)下還能夠利用探針對(duì)單個(gè)原子進(jìn)行精確操縱。這對(duì)人類研究納米科技具有重要作用。

（如圖所示，利用SEM對(duì)納米尺度下的原子進(jìn)行操縱）

此外，科學(xué)家還發(fā)明了光鑷技術(shù)，利用激光形成光阱，可以操縱和捕獲納米至微米級(jí)別的粒子，那么拿下原子也不在話下。

原子那么小，用手肯定是拿不住的，利用以上方法可以夾住原子，但并不能捏碎原子。

捏碎一個(gè)原子需要消耗多大能量？

捏碎是一個(gè)很模糊的概念，究竟是碎成兩半，還是將原子分裂成一個(gè)個(gè)微小的粒子？我們這里按后者算。

原子的質(zhì)量99%以上都集中在原子核，原子核是維持原子穩(wěn)定的根本，我們只需要將原子核捏碎，整個(gè)原子就解體了。

想要捏碎原子核，得考慮核外電子的情況。核外電子雖是按不同能級(jí)分層排列，但不像行星繞恒星那樣運(yùn)轉(zhuǎn)，電子的行蹤飄忽不定，我們用電子云模型來描述這樣的場(chǎng)景。電子雖受電磁力的吸引，但通常并不會(huì)掉進(jìn)原子核，只有在極強(qiáng)的壓力作用下，當(dāng)電子簡(jiǎn)并壓（由泡利不相容原理形成的抵抗力）被擊穿時(shí)才會(huì)使核外電子掉進(jìn)原子核，并與核內(nèi)質(zhì)子形成中子，中子星就是這樣誕生的。按照理論，需要1.44倍以上的太陽質(zhì)量所形成的引力才能將電子簡(jiǎn)并壓擊穿。其實(shí)我們并不需要將電子壓進(jìn)原子核，只需要讓原子失去所有電子，然后再捏碎原子核就行了。

（上圖為原子結(jié)構(gòu)的電子云模型示意圖）

最簡(jiǎn)單的原子當(dāng)屬氫原子，氫原子由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子構(gòu)成，捏碎它是小菜一碟，只需要讓氫原子失去電子變成質(zhì)子即可。氫原子的電離能（讓原子失去電子所需要的能量）為13.6eV。這似乎有點(diǎn)糊弄人，我們還是以鐵原子為例吧，它更有代表性。

鐵（通常是指最穩(wěn)定的同位素鐵56）是宇宙中最穩(wěn)定的元素，通常鐵原子核由20個(gè)質(zhì)子和30個(gè)中子組成，它既不容易發(fā)生裂變，也不容易發(fā)生聚變。為什么會(huì)這樣呢？因?yàn)殍F原子核的平均結(jié)合能為8.6MeV（兆電子伏特，1eV≈1.6x10^-19 J（焦耳）），是所有元素中最高的。

（如上圖所示，鐵56的平均結(jié)合能最高）

質(zhì)子和中子靠強(qiáng)力結(jié)合在一起形成原子核，結(jié)合能就是它們結(jié)合到一起所需要的能量，同樣，分開它們也需要相同的能量。不同種類的原子由不同數(shù)量的質(zhì)子和中子構(gòu)成，因此將總結(jié)和能平均到每個(gè)核子上，就得到了原子核的平均結(jié)合能。平均結(jié)合能越大，原子核也就越穩(wěn)定，越不容易被捏碎。

鐵56原子核的總結(jié)和能為481.6兆電子伏特，約等于7.71x10^-11焦耳，是氫原子電離能的3500多萬倍，理論上想要將一個(gè)鐵56原子核捏碎就需要這么多能量。至于鐵原子的電離能則可以忽略不計(jì)，那么捏碎一個(gè)鐵原子也僅多消耗一點(diǎn)能量。

沒錯(cuò)，捏碎一個(gè)原子連一焦耳的能量都用不到。一焦耳能量有多大？根據(jù)定義，1J=1N·m，相當(dāng)于用一牛頓（1千克的物體在地球表面所受到的重力大約為9.8牛頓）的力將一個(gè)物體沿力的方向移動(dòng)一米所需要的能量。將一顆50克的雞蛋舉高2米，它的勢(shì)能就增加一焦耳。

結(jié)語

由此可見，捏碎一個(gè)原子很容易，消耗不了多少能量。由于原子實(shí)在太小了，怎樣穩(wěn)穩(wěn)的捏住一個(gè)原子才是問題的關(guān)鍵。

1918年，盧瑟福利用天然放射性元素所釋放的阿爾法粒子從氮核中轟擊出了質(zhì)子，實(shí)現(xiàn)了第一次人工核反應(yīng)。現(xiàn)在的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)可以產(chǎn)生TeV級(jí)別以上的能量（1T=10^12）。

那么還能不能捏得更碎一點(diǎn)呢？比如將質(zhì)子和中子捏碎。雖然質(zhì)子和中子都是由夸克構(gòu)成的，但由于存在色禁閉現(xiàn)象，目前還沒有技術(shù)手段可以將其擊碎。至于電子、夸克等基本粒子還可不可以再分，目前還不知道。