【知道SET】天体物理-从原子到致密星

本集主题：天体物理-从原子到致密星

主讲人：李广兴

所在单位：云南大学中国西南天文研究所

物质基本组成

大家知道，物质是由分子和原子组成的。我们生活中看到的固体，气体，液体，都是由原子和分子组成的。在气体中，分子之间的距离很大。所以气体的密度很低。在液体和固体中，分子或者原子在空间上是聚在一起的。所以他们密度比较高。而且固体和液体的密度基本上是由原子的密度决定的。

IUPAC化学元素周期表（中文版）

比如，水的密度是1g / cm^{-3}，金属的密度大约是10 g cm^{-3}。地球的平均密度大约是 5 g / cm^{-3}。在太阳系中，水星是岩石组成的，它的密度也差不多是 5 g / cm^{-3}。也就是说，虽然我们在生活中看到了各种不同的物体和天体，我们看到的不同物质间密度的差别大概只有10左右。相比其他方面的差别，在不同天体之间，这个10倍的密度差别其实是非常小的。

电影《流浪地球》中的木星和地球

木星是一个大小约为地球10倍的巨大天体。他的质量是地球的200倍。木星的平均密度是大约是1 g / cm^{-3} ，跟地球上水的密度差不多。根据研究，木星主要是由液态物质组成的。因为液体的密度通常比较接近1 g / cm^{-3}。虽然木星比我们地球大太多太多，但是它的密度跟我们地球差不多。因为，和地球一样，木星也是由一个个挨在一起的分子和原子组成的。而原子的结构非常稳定。

原子的结构与量子力学

为什么原子可以构成坚硬的物质呢？大家知道，生活中的物质有的松软，有的坚硬。气体虽然是原子组成的。但是气体中分子和原子的距离很远。所以气体很容易压缩。我们压缩气体的时候，压缩的不是原子和分子，而是他们之间的间隙。液体虽然让人觉得很软。但是其实想要压缩液体比如水，其实是非常困难的。水虽然可以变形，但是很难被压缩。当然。压缩固体也非常困难。液体和固体都非常难压缩，其中的原因是组成它们们的原子和分子之间的间隙很小。要压缩他们，你就要直接压缩单个的原子。而单个原子的结构是非常稳定的。

普朗克

为什么原子的结构非常稳定呢？要理解这一点，我们需要一定量子力学。在大家的印象中，量子力学是一门抽象的学问，和我们的生活没什么关系。比如，量子力学中的普朗克常数，他的大小是6.62607004 × 10-34 m2 kg / s，也就是说，如果你想在一张纸上写下普朗克常数，你需要在小数点后面写34个零。普朗克常数联系到了物理中很多的故事，但是这样小的一个数字，通常对我们的生活没有什么影响。

可是了原子里，这个常数就重要的不得了。在原子里，电子带有负电，而质子带有正电。这样的结构是非常不稳定的，根据计算，人们甚至认为电子和质子有可能撞到一起。而普朗克常数的作用，就是使得原子中电子和质子相互排斥，它是一种斥力，使得原子稳定。总结一下，原子中的正负电荷的吸引使得原子倾向于收缩，而普朗克常数代表了斥力，阻止了这种收缩。两种力的平衡使得原子稳定。

打开原子

物理学家研究原子的方法是折腾它们，打开他们。想打开原子是既容易又困难的。

比如，一个硫原子有12个电子。如果你想拿走一两个电子，其实是非常容易的。你冬天脱掉毛衣，经常被电一下。而这些电的来源就是原子上被带走的电。但是，如果你想过带走全部12个电子，就要费一番功夫了。宇宙间最多的原子是氢原子。虽然氢原子只有一个电子，但是由于氢原子非常结实，想要带走唯一的这个电子是非常困难的。

在地球上，人们打开原子的方式主要是增加温度。如你能把氢气加热到10000度，你就可以把氢原子中的电子和原子核分开。在天上， 打开原子的一种办法也是加热，比如天上那些很亮的星星，他们发出的星光就可以把周围的氢原子电离掉，形成气泡。这些被弄坏的氢原子形成的电离气体。他们的密度很低，1立方厘米里只有一个原子。虽然如此稀薄，天文学家还是通过那些长得像电视天线一样的射电望远镜接收到了来自于这些气体的信号。

致密星

而另外一种打开氢原子的办法是压缩。任何物质能承受的压力都是有一定限度的，而一旦超过了这个限度，物质就会破裂。原子也是这样。虽然在地球上，我们没法产生这么大的压力，但是到了天上，我们有可能达到很高的密度。

大家晚上随便看一眼星空，看到的都是星星。这些星星发光，燃烧的是核反应的能量。而等到能量耗尽，它们就会发生爆发。而爆发剩下的是一小团非常致密的物质。这些物质的密度有多大的密度呢？每立方米有10亿千克。人们管这样的一团物质叫做白矮星。

这样的天体，在万有引力的作用下，有着很大的压力，在这样高的压力下，原子被压碎了。现在，你想一想，原子被压碎了，剩下的是什么？当然是电子和原子核。所以，这样的一颗星是由一堆电子和原子核堆成的天体。如果原子是一个个樱桃，白矮星就是一瓶樱桃酱。如果原子都被压碎了，是什么能对这个叫做白矮星的天体起到支撑用呢？这里有两个可能，一个是原子核，一个是电子。原子核比电子要重一千倍，但是对白矮星起到支撑作用的其实是电子。这看起来虽然奇怪，但其实是量子力学的一个必然推论。

总结

（a）物质由分子和原子组成。因为原子的结构非常稳定，所以我们看到的固态和液态物质的密度都是由原子的密度决定的。

（b）量子力学，不确定原理。小小的普朗克常数决定了原子的稳定性。

（c）有两种方法打开原子。一种是通过增加温度，一种是增加密度。把气体加热到1万度，氢原子就打开了。

（d）恒星死亡后会形成一个致密的核。在这个核里面，由于压力很大，原子也被压成果酱了。