泡利不相容(ls耦合跃迁规则)
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2023-11-04
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1. 泡利不相容,ls耦合跃迁规则?
LS耦合是指由给定电子组态确定多个价电子原子的能量状态的一种近似方法。原子中核外电子的能量主要由其电子组态决定。
若各价电子间的静电斥力势能之和远大于其自旋轨道磁相互作用能之和,则各价电子的轨道角动量和自旋角动量将分别受电子间静电斥力和交换力(见交换作用)的作用各自耦合成总轨道角动量pL和总自旋角动量ps,pL=,其中L、S分别为总轨道量子数和总自旋量子数,啚=h/2π,h为普朗克常数。
以两个非等效电子为例,其电子组态(n1l1,n2l2),n1、n2和l1、l2分别是两电子的主量子数和轨道量子数,而电子自旋量子数都为1/2,即s1=s2=1/2。按原子的矢量模型,两电子的轨道角动量的耦合,则L=1。自旋角动量的耦合, 则S=1,0。由各种可能的S、L值确定原子的多重谱项,不同谱项间能量差别相对来说比较大。而电子的自旋轨道磁相互作用又使pli和ps 耦合成原子总角动量pJ。,其中J为总角动量量子数,。由于假设这种磁相互作用远小于电子间静电作用,因此同一多重谱项由于自旋轨道磁相互作用而引起的不同J值的能态间距是很小的,通常称为能级的精细结构。因此由LS耦合形成的原子态的符号为2LJ。
对于等效电子(见原子结构),耦合时要考虑泡利不相容原理,所形成的原子态要比非等效电子形成的少。例如两个等效p电子经LS耦合只能形成 D2、P2,1,0、S0等五个原子态,而两个非等效p电子却可以形成D3,2,1、P2,1,0、S1、D2、P1、S0等十个原子态。
LS耦合常适用于确定较轻元素原子的较低受激态和基态。对于重元素原子的受激态和轻元素原子的高受激态,则适用另一种称为jj 耦合的近似方法。
LS耦合有时也称罗素-桑德斯耦合。
2. 白矮星是什么?
白矮星是什么?
答:白矮星是恒星第三级尸骸。我们这个宇宙一切都会死亡,包括大大小小的恒星。
恒星死后也会留下尸骸,大致有四种等级,顶级的是黑洞,二级是中子星,三级就是白矮星,四级是黑矮星。
这是由于各种恒星有不同的死法。
就像富人和穷人,虽然都免不了一死,但死法各有不同。
最穷的人,比如流浪汉,可能是在大街小巷哪个旮旯里、垃圾桶旁,悄悄地没声没息的就死了,没人看到,没人知道,最后被收拾垃圾的人报警拖走。
一般人家,不穷不富,会死在家里或者一般的医院里,临终会有一些亲属在身旁陪伴,死后有人哭丧,或火葬或土葬。然后一家人分配遗产,有时还会弄得鸡飞狗跳反目为仇。
大富大贵者,病重时会得到各种大医院或者私人医疗团队的全力救护,一堆一堆的达官贵人前往看望慰问,可彰显其身份地位。一旦不治身亡,还会举行各种奢华告别仪式,登报网宣,高调纪念,哀荣与身份对应。
恒星的死法也大致有三种。最小的恒星叫红矮星,质量只有太阳的0.08倍到0.5倍,这种恒星核心压力和温度无法激发氦核聚变,因此氢消耗完后核聚变就停止,慢慢冷却下来,死得有点像穷人,无声无息。这种尸骸就是恒星的底层尸骸~黑矮星。
太阳是一颗中小质量的黄矮星,一般认为太阳质量0.5倍到8倍的恒星,死亡后会留下一颗白矮星。
这种恒星核心在氢消耗完后,物质全部转化为氦,坍缩的压力和温度可以进一步激发氦核聚变。在氦闪张力和外围氢燃烧、引力减弱等复杂机制下,临死前会来个回光返照,膨胀成一个红巨星。
最终浮华散尽,中心留下一个地球大小的核心,这个核心就是白矮星。
大于太阳质量8倍的恒星,核心巨大的压力和极高温度会激发梯级核聚变,从元素氢一直到26号元素铁为止,最终在复杂机制下发生超新星大爆发,让生命迸发出最后的巨大能量和光彩,死得有些像富人,轰轰烈烈。
最后硝烟散尽,可能爆发得一点不剩,也可能留下一个中子星或者黑洞。
宇宙万物就是这么奇妙,没有意识的恒星也和人类一样,不同的恒星有自己不同的终极结束方式。
现在来详细说说白矮星。白矮星是宇宙中第三层致密天体。所谓致密天体就是这种天体上的物质已经不是我们认知的普通物质了。
当太阳质量8倍以下的恒星演化后期,由于核心燃料告罄,核聚变停止,巨大的恒星引力压导致的坍缩压强很大,达到数万亿个大气压,使核心已经形成的碳元素原子被压缩垮了。
于是这些碳原子只能够用电子简并压来支撑引力压,保持自己的某些性质,并保持星体状态。
电子简并压是原子在极大的压力下,被压缩变形了,电子脱离原来轨道,向原子核靠近,但由于泡利不相容原理,电子与电子之间有相斥特性,它们不愿意挤在一起,就相互排斥尽量保持距离。
这样就产生了一种叫“电子简并压”的抵抗力,抵御住了星球本身重力。
这个时候,虽然原子已经被压垮了,但原子核还保持者原样,只是没有了过去那种在电子外壳的保护下躲在中心遥控的地位,而是躺在电子海洋中勉强维持自己的统治地位。
白矮星主要由碳元素组成,和钻石一样的特性。因此有人把白矮星比喻为一个整体的钻石星。
但是白矮星的密度比钻石大多了。钻石密度只有3.52g/cm^3,白矮星物质密度达到1000000~10000000g/cm^3。
我们说白矮星是太阳类恒星的尸骸,也有人把这种天体作为恒星算账,也就是恒星演化末期阶段的一种形态。
白矮星刚形成时温度还很高,表面温度可达到1万℃。由于白矮星已经没有能量维持,因此会慢慢冷却下来,最终变成一个黑矮星。
但这个过程大概有几十亿年,也就是说白矮星的寿命约有几十亿年。
其冷却的公式为:
由于宇宙寿命才有138亿年,太阳类恒星寿命有100亿年左右,太阳死亡后才会生成白矮星,因此迄今在宇宙中还没有发现白矮星最终尸骸~黑矮星。
白矮星会“诈尸”,还会“借尸还魂”。现在已经发现宇宙中存在的白矮星有1000多颗,银河系中在我们太阳系周围就有400多颗。由于白矮星体积小,只有地球大小左右,光度又低,因此肯定还有许多没有发现。
白矮星不甘心就这样死去,有的还会找机会“诈尸还魂”。
万有引力是我们这个世界最普遍的规律之一,任何物体都脱不了这个窠臼。
白矮星依靠电子简并压支撑着引力压,保持了星体的一个稳定和平衡。但这个稳定和平衡只允许1.4个太阳质量,超过这个质量,电子简并压就无法支撑引力压,也就是说有引力会把原子核完全压垮压碎。
这个质量临界点为1.44倍太阳质量,因为是美籍印度裔科学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡发现并计算出来的,因此叫钱德拉塞卡极限。
达到了这个极限,白矮星就会继续坍缩,继而引发核心碳融合,导致热核失控,引发Ia型超新星爆发,或全部炸碎自己,或在核心留下一颗更高级的尸骸~中子星或黑洞。
这主要看爆炸后核心会不会留下足够的质量。质量在太阳1.44倍~3倍左右时,会留下一颗中子星,质量大于3.2倍太阳时,会成为一颗黑洞。
明明已经变成尸骸的白矮星怎么会发生“诈尸”呢?原来我们宇宙中有许多双星或者多星系统,这些恒星由于引力作用相互缠绕在一起运行,距离不远,但它们的寿命并不是一样的。
恒星的寿命与质量成反比关系,质量越大的恒星寿命越短。因此前面说的红矮星寿命是最长的,长的令人发指,最小的红矮星寿命可达数万亿年。
当一个双星系统或者多合星系统其中一颗先变成了白矮星时,这颗白矮星由于引力极端,会吸积另外还“活着”伴星的物质,特别是在伴星演化后期变成红巨星时,体积膨胀,靠近了白矮星,这就为白矮星吸积创造了条件。
这样白矮星就把伴星的物质拉扯到自己身上,让自己变得越来越“重”,到达钱德拉塞卡极限,就爆发变异,让自己再“光荣”一回。
夜空中最亮的恒星天狼星就是这样一个双星系统。天狼星是距离我们很近的恒星,只有6.8光年,是一个双星系统。
天狼星由一颗约太阳质量2倍的蓝矮星和一颗太阳质量1倍的白矮星组成,分别被称为天狼星A和天狼星B,当天狼星A演化后期变成红巨星时,很可能就会发生白矮星“诈尸还魂”事件。
结论:白矮星是恒星的第三层尸骸,但它不甘心自己的死亡,有可能“借尸还魂”,向更高级的顶级、二级尸骸演化。
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3. 玻色体是生物吗?
不是生物,是粒子。
玻色子是遵循玻色-爱因斯坦统计,自旋量子数为整数(0,1,)的粒子。
比如介子、氘核、氦-4等复合粒子以及希格斯粒子、光子、胶子、和Z等基本粒子。玻色子不遵守泡利不相容原理,在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。
玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。这里的"凝聚"与日常生活中的凝聚不同,它表示原来不同状态的原子突然"凝聚"到同一状态(一般是基态)。
4. 捏碎一个原子需要使多大力气?
不知道大家有没有捏过鸡蛋,鸡蛋虽然掉在地上很容易碎,但是徒手想要捏碎它却是一件不容易的事。当受力均匀时,鸡蛋壳可以承受几十公斤以上的力量,这得益于鸡蛋壳的特殊形状。只有当受力不均匀时,人类才能徒手将鸡蛋捏爆。
脑洞时间到!鸡蛋是由原子构成的,那有没有什么方法可以将一个原子夹住,并将之捏碎呢?如果可以捏碎,又需要多大的力量?
知己知彼,百战不殆。想要捏碎原子,就要先了解它的性质。下面就跟随我一起进入奇妙的原子世界。
原子世界之旅天上飘的白云,地下跑的马儿,都是由原子构成的。原子这个概念很早就出现了,古希腊哲学家德莫克利特最早提出了古代原子论,他认为万物都是被称之为原子的微粒组成的。17世纪,经过众多化学家的不断实验,人们正式确认了原子的存在,道尔顿从科学角度正式提出了原子理论,不过那时认为原子已不可再分。
原子能不能捏碎呢?当然能,因为原子也是由更基本的粒子构成的。原子是由原子核和核外电子构成的,原子核又是由质子和中子构成的。
人类对原子内部结构的探索耗费了数十年的时间。1897年汤姆逊发现了电子,1912年卢瑟福发现了原子核,并在1918年发现了质子,由于中子不带电,到了1932年才由卢瑟福的学生查德威克发现。
这些大大小小的粒子是怎么结合到一起并构成原子的呢?同种电荷相斥,异种电荷相吸。而质子带正电,中子不带电,电子带负电,要想结合在一起,质子就必须要克服库伦斥力。其实在自然界中有4种基本力,质子、中子是靠强核力结合在一起的。强核力的作用范围很有限,仅限于原子核内,但作用效果却比电磁力大170多倍。电子则是靠电磁力与原子核结合到一起的。此外,原子与原子之间又靠电磁力结合成为分子,并构成世间万物。
既然原子是由一定数量的质子、中子和电子通过强核力与电磁力结合在一起的,那么想要将其捏碎,就必须要施加比这更大的力量。
如何操纵一个原子?想要捏碎一个原子,得先控制住它,防止它溜走,形象点说就是得把它紧紧地攥在手里。
可是原子很小,究竟有多小呢?原子与黄豆的大小之比就如同黄豆与地球的大小之比。原子的平均直径大约在10^-10米这个数量级,也就是0.1纳米的级别左右,比如氢原子的直径大约为0.07纳米。咱们从数量上来说明,以7纳米工艺制成的指甲盖大小(一平方厘米左右)般的麒麟980芯片就包含了69亿个晶体管。
原子核就更小了,直径在10^-15~10^-14米这个数量级,体积仅为原子体积的千亿分之一,但质量却占了99.9%以上。形象点来说,如果原子相当于一个足球场,那么原子核就相当于足球场中的一粒米。
原子虽小,却并没有难倒科学家。目前科学家们已经能够在实验室中操纵单个原子了,这主要得益于扫描隧道显微镜(SEM)这个工具的发明。利用扫描隧道显微镜不仅能够观察单个原子,在超低温状态下还能够利用探针对单个原子进行精确操纵。这对人类研究纳米科技具有重要作用。
(如图所示,利用SEM对纳米尺度下的原子进行操纵)
此外,科学家还发明了光镊技术,利用激光形成光阱,可以操纵和捕获纳米至微米级别的粒子,那么拿下原子也不在话下。
原子那么小,用手肯定是拿不住的,利用以上方法可以夹住原子,但并不能捏碎原子。
捏碎一个原子需要消耗多大能量?捏碎是一个很模糊的概念,究竟是碎成两半,还是将原子分裂成一个个微小的粒子?我们这里按后者算。
原子的质量99%以上都集中在原子核,原子核是维持原子稳定的根本,我们只需要将原子核捏碎,整个原子就解体了。
想要捏碎原子核,得考虑核外电子的情况。核外电子虽是按不同能级分层排列,但不像行星绕恒星那样运转,电子的行踪飘忽不定,我们用电子云模型来描述这样的场景。电子虽受电磁力的吸引,但通常并不会掉进原子核,只有在极强的压力作用下,当电子简并压(由泡利不相容原理形成的抵抗力)被击穿时才会使核外电子掉进原子核,并与核内质子形成中子,中子星就是这样诞生的。按照理论,需要1.44倍以上的太阳质量所形成的引力才能将电子简并压击穿。其实我们并不需要将电子压进原子核,只需要让原子失去所有电子,然后再捏碎原子核就行了。
(上图为原子结构的电子云模型示意图)
最简单的原子当属氢原子,氢原子由一个质子和一个电子构成,捏碎它是小菜一碟,只需要让氢原子失去电子变成质子即可。氢原子的电离能(让原子失去电子所需要的能量)为13.6eV。这似乎有点糊弄人,我们还是以铁原子为例吧,它更有代表性。
铁(通常是指最稳定的同位素铁56)是宇宙中最稳定的元素,通常铁原子核由20个质子和30个中子组成,它既不容易发生裂变,也不容易发生聚变。为什么会这样呢?因为铁原子核的平均结合能为8.6MeV(兆电子伏特,1eV≈1.6x10^-19 J(焦耳)),是所有元素中最高的。
(如上图所示,铁56的平均结合能最高)
质子和中子靠强力结合在一起形成原子核,结合能就是它们结合到一起所需要的能量,同样,分开它们也需要相同的能量。不同种类的原子由不同数量的质子和中子构成,因此将总结和能平均到每个核子上,就得到了原子核的平均结合能。平均结合能越大,原子核也就越稳定,越不容易被捏碎。
铁56原子核的总结和能为481.6兆电子伏特,约等于7.71x10^-11焦耳,是氢原子电离能的3500多万倍,理论上想要将一个铁56原子核捏碎就需要这么多能量。至于铁原子的电离能则可以忽略不计,那么捏碎一个铁原子也仅多消耗一点能量。
没错,捏碎一个原子连一焦耳的能量都用不到。一焦耳能量有多大?根据定义,1J=1N·m,相当于用一牛顿(1千克的物体在地球表面所受到的重力大约为9.8牛顿)的力将一个物体沿力的方向移动一米所需要的能量。将一颗50克的鸡蛋举高2米,它的势能就增加一焦耳。
结语由此可见,捏碎一个原子很容易,消耗不了多少能量。由于原子实在太小了,怎样稳稳的捏住一个原子才是问题的关键。
1918年,卢瑟福利用天然放射性元素所释放的阿尔法粒子从氮核中轰击出了质子,实现了第一次人工核反应。现在的大型强子对撞机可以产生TeV级别以上的能量(1T=10^12)。
那么还能不能捏得更碎一点呢?比如将质子和中子捏碎。虽然质子和中子都是由夸克构成的,但由于存在色禁闭现象,目前还没有技术手段可以将其击碎。至于电子、夸克等基本粒子还可不可以再分,目前还不知道。
热爱科学的朋友,欢迎关注我。
5. 能级交错规律?
根据泡利不相容原理和能量最低原理,电子总是先占满最低能级的电子层。但洪特规则告诉我们,有时候,电子先填最外层的ns,后填次外层的(n-1)d,甚至填入倒数第三层的(n-2)f的规律叫做“能级交错”。
6. 不相容原理的内容是什么?
泡利不相容原理自旋为半整数的粒子(费米子)所遵从的一条原理。简称泡利原理。它可表述为全同费米子体系中不可能有两个或两个以上的粒子同时处于相同的单粒子态。电子的自旋,电子遵从泡利原理。1925年W.E.泡利为说明化学元素周期律提出来的。原子中电子的状态由主量子数n、角量子数l、磁量子数ml以及自旋磁量子数ms所描述,因此泡利原理又可表述为原子内不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的4个量子数n、l、ml、ms。
根据泡利原理可很好地说明化学元素的周期律。
泡利原理是全同费米子遵从的一条重要原则,在所有含有电子的系统中,在分子的化学价键理论中、在固态金属、半导体和绝缘体的理论中都起着重要作用。
后来知道泡利原理也适用于其他如质子、中子等费米子。泡利原理是认识许多自然现象的基础。例子,比如氦原子的两个电子,都在第一层(K层),电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向,自旋方向必然相反。
每一轨道中只能客纳自旋相反的两个电子,每个电子层中可能容纳轨道数是n2个、每层最多容纳电子数是2n2。
7. 洪特规则的提出?
德国人弗里德里希·洪特(F.Hund),在1928年根据大量光谱实验数据总结出一个规律,即电子分布到能量简并的原子轨道时,优先以自旋相同的方式分别占据不同的轨道,因为这种排布方式原子的总能量最低。所以在能量相等的轨道上,电子尽可能自旋平行地多占不同的轨道。
例如碳原子核外有6个电子,按能量最低原理和泡利不相容原理,首先有2个电子排布到第一层的1s轨道中,另外2个电子填入第二层的2s轨道中,剩余2个电子排布在2个p轨道上,具有相同的自旋方向,而不是两个电子集中在一个p轨道,自旋方向相反。
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1. 泡利不相容,ls耦合跃迁规则?
LS耦合是指由给定电子组态确定多个价电子原子的能量状态的一种近似方法。原子中核外电子的能量主要由其电子组态决定。
若各价电子间的静电斥力势能之和远大于其自旋轨道磁相互作用能之和,则各价电子的轨道角动量和自旋角动量将分别受电子间静电斥力和交换力(见交换作用)的作用各自耦合成总轨道角动量pL和总自旋角动量ps,pL=,其中L、S分别为总轨道量子数和总自旋量子数,啚=h/2π,h为普朗克常数。
以两个非等效电子为例,其电子组态(n1l1,n2l2),n1、n2和l1、l2分别是两电子的主量子数和轨道量子数,而电子自旋量子数都为1/2,即s1=s2=1/2。按原子的矢量模型,两电子的轨道角动量的耦合,则L=1。自旋角动量的耦合, 则S=1,0。由各种可能的S、L值确定原子的多重谱项,不同谱项间能量差别相对来说比较大。而电子的自旋轨道磁相互作用又使pli和ps 耦合成原子总角动量pJ。,其中J为总角动量量子数,。由于假设这种磁相互作用远小于电子间静电作用,因此同一多重谱项由于自旋轨道磁相互作用而引起的不同J值的能态间距是很小的,通常称为能级的精细结构。因此由LS耦合形成的原子态的符号为2LJ。
对于等效电子(见原子结构),耦合时要考虑泡利不相容原理,所形成的原子态要比非等效电子形成的少。例如两个等效p电子经LS耦合只能形成 D2、P2,1,0、S0等五个原子态,而两个非等效p电子却可以形成D3,2,1、P2,1,0、S1、D2、P1、S0等十个原子态。
LS耦合常适用于确定较轻元素原子的较低受激态和基态。对于重元素原子的受激态和轻元素原子的高受激态,则适用另一种称为jj 耦合的近似方法。
LS耦合有时也称罗素-桑德斯耦合。
2. 白矮星是什么?
白矮星是什么?
答:白矮星是恒星第三级尸骸。我们这个宇宙一切都会死亡,包括大大小小的恒星。
恒星死后也会留下尸骸,大致有四种等级,顶级的是黑洞,二级是中子星,三级就是白矮星,四级是黑矮星。
这是由于各种恒星有不同的死法。
就像富人和穷人,虽然都免不了一死,但死法各有不同。
最穷的人,比如流浪汉,可能是在大街小巷哪个旮旯里、垃圾桶旁,悄悄地没声没息的就死了,没人看到,没人知道,最后被收拾垃圾的人报警拖走。
一般人家,不穷不富,会死在家里或者一般的医院里,临终会有一些亲属在身旁陪伴,死后有人哭丧,或火葬或土葬。然后一家人分配遗产,有时还会弄得鸡飞狗跳反目为仇。
大富大贵者,病重时会得到各种大医院或者私人医疗团队的全力救护,一堆一堆的达官贵人前往看望慰问,可彰显其身份地位。一旦不治身亡,还会举行各种奢华告别仪式,登报网宣,高调纪念,哀荣与身份对应。
恒星的死法也大致有三种。最小的恒星叫红矮星,质量只有太阳的0.08倍到0.5倍,这种恒星核心压力和温度无法激发氦核聚变,因此氢消耗完后核聚变就停止,慢慢冷却下来,死得有点像穷人,无声无息。这种尸骸就是恒星的底层尸骸~黑矮星。
太阳是一颗中小质量的黄矮星,一般认为太阳质量0.5倍到8倍的恒星,死亡后会留下一颗白矮星。
这种恒星核心在氢消耗完后,物质全部转化为氦,坍缩的压力和温度可以进一步激发氦核聚变。在氦闪张力和外围氢燃烧、引力减弱等复杂机制下,临死前会来个回光返照,膨胀成一个红巨星。
最终浮华散尽,中心留下一个地球大小的核心,这个核心就是白矮星。
大于太阳质量8倍的恒星,核心巨大的压力和极高温度会激发梯级核聚变,从元素氢一直到26号元素铁为止,最终在复杂机制下发生超新星大爆发,让生命迸发出最后的巨大能量和光彩,死得有些像富人,轰轰烈烈。
最后硝烟散尽,可能爆发得一点不剩,也可能留下一个中子星或者黑洞。
宇宙万物就是这么奇妙,没有意识的恒星也和人类一样,不同的恒星有自己不同的终极结束方式。
现在来详细说说白矮星。白矮星是宇宙中第三层致密天体。所谓致密天体就是这种天体上的物质已经不是我们认知的普通物质了。
当太阳质量8倍以下的恒星演化后期,由于核心燃料告罄,核聚变停止,巨大的恒星引力压导致的坍缩压强很大,达到数万亿个大气压,使核心已经形成的碳元素原子被压缩垮了。
于是这些碳原子只能够用电子简并压来支撑引力压,保持自己的某些性质,并保持星体状态。
电子简并压是原子在极大的压力下,被压缩变形了,电子脱离原来轨道,向原子核靠近,但由于泡利不相容原理,电子与电子之间有相斥特性,它们不愿意挤在一起,就相互排斥尽量保持距离。
这样就产生了一种叫“电子简并压”的抵抗力,抵御住了星球本身重力。
这个时候,虽然原子已经被压垮了,但原子核还保持者原样,只是没有了过去那种在电子外壳的保护下躲在中心遥控的地位,而是躺在电子海洋中勉强维持自己的统治地位。
白矮星主要由碳元素组成,和钻石一样的特性。因此有人把白矮星比喻为一个整体的钻石星。
但是白矮星的密度比钻石大多了。钻石密度只有3.52g/cm^3,白矮星物质密度达到1000000~10000000g/cm^3。
我们说白矮星是太阳类恒星的尸骸,也有人把这种天体作为恒星算账,也就是恒星演化末期阶段的一种形态。
白矮星刚形成时温度还很高,表面温度可达到1万℃。由于白矮星已经没有能量维持,因此会慢慢冷却下来,最终变成一个黑矮星。
但这个过程大概有几十亿年,也就是说白矮星的寿命约有几十亿年。
其冷却的公式为:
由于宇宙寿命才有138亿年,太阳类恒星寿命有100亿年左右,太阳死亡后才会生成白矮星,因此迄今在宇宙中还没有发现白矮星最终尸骸~黑矮星。
白矮星会“诈尸”,还会“借尸还魂”。现在已经发现宇宙中存在的白矮星有1000多颗,银河系中在我们太阳系周围就有400多颗。由于白矮星体积小,只有地球大小左右,光度又低,因此肯定还有许多没有发现。
白矮星不甘心就这样死去,有的还会找机会“诈尸还魂”。
万有引力是我们这个世界最普遍的规律之一,任何物体都脱不了这个窠臼。
白矮星依靠电子简并压支撑着引力压,保持了星体的一个稳定和平衡。但这个稳定和平衡只允许1.4个太阳质量,超过这个质量,电子简并压就无法支撑引力压,也就是说有引力会把原子核完全压垮压碎。
这个质量临界点为1.44倍太阳质量,因为是美籍印度裔科学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡发现并计算出来的,因此叫钱德拉塞卡极限。
达到了这个极限,白矮星就会继续坍缩,继而引发核心碳融合,导致热核失控,引发Ia型超新星爆发,或全部炸碎自己,或在核心留下一颗更高级的尸骸~中子星或黑洞。
这主要看爆炸后核心会不会留下足够的质量。质量在太阳1.44倍~3倍左右时,会留下一颗中子星,质量大于3.2倍太阳时,会成为一颗黑洞。
明明已经变成尸骸的白矮星怎么会发生“诈尸”呢?原来我们宇宙中有许多双星或者多星系统,这些恒星由于引力作用相互缠绕在一起运行,距离不远,但它们的寿命并不是一样的。
恒星的寿命与质量成反比关系,质量越大的恒星寿命越短。因此前面说的红矮星寿命是最长的,长的令人发指,最小的红矮星寿命可达数万亿年。
当一个双星系统或者多合星系统其中一颗先变成了白矮星时,这颗白矮星由于引力极端,会吸积另外还“活着”伴星的物质,特别是在伴星演化后期变成红巨星时,体积膨胀,靠近了白矮星,这就为白矮星吸积创造了条件。
这样白矮星就把伴星的物质拉扯到自己身上,让自己变得越来越“重”,到达钱德拉塞卡极限,就爆发变异,让自己再“光荣”一回。
夜空中最亮的恒星天狼星就是这样一个双星系统。天狼星是距离我们很近的恒星,只有6.8光年,是一个双星系统。
天狼星由一颗约太阳质量2倍的蓝矮星和一颗太阳质量1倍的白矮星组成,分别被称为天狼星A和天狼星B,当天狼星A演化后期变成红巨星时,很可能就会发生白矮星“诈尸还魂”事件。
结论:白矮星是恒星的第三层尸骸,但它不甘心自己的死亡,有可能“借尸还魂”,向更高级的顶级、二级尸骸演化。
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3. 玻色体是生物吗?
不是生物,是粒子。
玻色子是遵循玻色-爱因斯坦统计,自旋量子数为整数(0,1,)的粒子。
比如介子、氘核、氦-4等复合粒子以及希格斯粒子、光子、胶子、和Z等基本粒子。玻色子不遵守泡利不相容原理,在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。
玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。这里的"凝聚"与日常生活中的凝聚不同,它表示原来不同状态的原子突然"凝聚"到同一状态(一般是基态)。
4. 捏碎一个原子需要使多大力气?
不知道大家有没有捏过鸡蛋,鸡蛋虽然掉在地上很容易碎,但是徒手想要捏碎它却是一件不容易的事。当受力均匀时,鸡蛋壳可以承受几十公斤以上的力量,这得益于鸡蛋壳的特殊形状。只有当受力不均匀时,人类才能徒手将鸡蛋捏爆。
脑洞时间到!鸡蛋是由原子构成的,那有没有什么方法可以将一个原子夹住,并将之捏碎呢?如果可以捏碎,又需要多大的力量?
知己知彼,百战不殆。想要捏碎原子,就要先了解它的性质。下面就跟随我一起进入奇妙的原子世界。
原子世界之旅天上飘的白云,地下跑的马儿,都是由原子构成的。原子这个概念很早就出现了,古希腊哲学家德莫克利特最早提出了古代原子论,他认为万物都是被称之为原子的微粒组成的。17世纪,经过众多化学家的不断实验,人们正式确认了原子的存在,道尔顿从科学角度正式提出了原子理论,不过那时认为原子已不可再分。
原子能不能捏碎呢?当然能,因为原子也是由更基本的粒子构成的。原子是由原子核和核外电子构成的,原子核又是由质子和中子构成的。
人类对原子内部结构的探索耗费了数十年的时间。1897年汤姆逊发现了电子,1912年卢瑟福发现了原子核,并在1918年发现了质子,由于中子不带电,到了1932年才由卢瑟福的学生查德威克发现。
这些大大小小的粒子是怎么结合到一起并构成原子的呢?同种电荷相斥,异种电荷相吸。而质子带正电,中子不带电,电子带负电,要想结合在一起,质子就必须要克服库伦斥力。其实在自然界中有4种基本力,质子、中子是靠强核力结合在一起的。强核力的作用范围很有限,仅限于原子核内,但作用效果却比电磁力大170多倍。电子则是靠电磁力与原子核结合到一起的。此外,原子与原子之间又靠电磁力结合成为分子,并构成世间万物。
既然原子是由一定数量的质子、中子和电子通过强核力与电磁力结合在一起的,那么想要将其捏碎,就必须要施加比这更大的力量。
如何操纵一个原子?想要捏碎一个原子,得先控制住它,防止它溜走,形象点说就是得把它紧紧地攥在手里。
可是原子很小,究竟有多小呢?原子与黄豆的大小之比就如同黄豆与地球的大小之比。原子的平均直径大约在10^-10米这个数量级,也就是0.1纳米的级别左右,比如氢原子的直径大约为0.07纳米。咱们从数量上来说明,以7纳米工艺制成的指甲盖大小(一平方厘米左右)般的麒麟980芯片就包含了69亿个晶体管。
原子核就更小了,直径在10^-15~10^-14米这个数量级,体积仅为原子体积的千亿分之一,但质量却占了99.9%以上。形象点来说,如果原子相当于一个足球场,那么原子核就相当于足球场中的一粒米。
原子虽小,却并没有难倒科学家。目前科学家们已经能够在实验室中操纵单个原子了,这主要得益于扫描隧道显微镜(SEM)这个工具的发明。利用扫描隧道显微镜不仅能够观察单个原子,在超低温状态下还能够利用探针对单个原子进行精确操纵。这对人类研究纳米科技具有重要作用。
(如图所示,利用SEM对纳米尺度下的原子进行操纵)
此外,科学家还发明了光镊技术,利用激光形成光阱,可以操纵和捕获纳米至微米级别的粒子,那么拿下原子也不在话下。
原子那么小,用手肯定是拿不住的,利用以上方法可以夹住原子,但并不能捏碎原子。
捏碎一个原子需要消耗多大能量?捏碎是一个很模糊的概念,究竟是碎成两半,还是将原子分裂成一个个微小的粒子?我们这里按后者算。
原子的质量99%以上都集中在原子核,原子核是维持原子稳定的根本,我们只需要将原子核捏碎,整个原子就解体了。
想要捏碎原子核,得考虑核外电子的情况。核外电子虽是按不同能级分层排列,但不像行星绕恒星那样运转,电子的行踪飘忽不定,我们用电子云模型来描述这样的场景。电子虽受电磁力的吸引,但通常并不会掉进原子核,只有在极强的压力作用下,当电子简并压(由泡利不相容原理形成的抵抗力)被击穿时才会使核外电子掉进原子核,并与核内质子形成中子,中子星就是这样诞生的。按照理论,需要1.44倍以上的太阳质量所形成的引力才能将电子简并压击穿。其实我们并不需要将电子压进原子核,只需要让原子失去所有电子,然后再捏碎原子核就行了。
(上图为原子结构的电子云模型示意图)
最简单的原子当属氢原子,氢原子由一个质子和一个电子构成,捏碎它是小菜一碟,只需要让氢原子失去电子变成质子即可。氢原子的电离能(让原子失去电子所需要的能量)为13.6eV。这似乎有点糊弄人,我们还是以铁原子为例吧,它更有代表性。
铁(通常是指最稳定的同位素铁56)是宇宙中最稳定的元素,通常铁原子核由20个质子和30个中子组成,它既不容易发生裂变,也不容易发生聚变。为什么会这样呢?因为铁原子核的平均结合能为8.6MeV(兆电子伏特,1eV≈1.6x10^-19 J(焦耳)),是所有元素中最高的。
(如上图所示,铁56的平均结合能最高)
质子和中子靠强力结合在一起形成原子核,结合能就是它们结合到一起所需要的能量,同样,分开它们也需要相同的能量。不同种类的原子由不同数量的质子和中子构成,因此将总结和能平均到每个核子上,就得到了原子核的平均结合能。平均结合能越大,原子核也就越稳定,越不容易被捏碎。
铁56原子核的总结和能为481.6兆电子伏特,约等于7.71x10^-11焦耳,是氢原子电离能的3500多万倍,理论上想要将一个铁56原子核捏碎就需要这么多能量。至于铁原子的电离能则可以忽略不计,那么捏碎一个铁原子也仅多消耗一点能量。
没错,捏碎一个原子连一焦耳的能量都用不到。一焦耳能量有多大?根据定义,1J=1N·m,相当于用一牛顿(1千克的物体在地球表面所受到的重力大约为9.8牛顿)的力将一个物体沿力的方向移动一米所需要的能量。将一颗50克的鸡蛋举高2米,它的势能就增加一焦耳。
结语由此可见,捏碎一个原子很容易,消耗不了多少能量。由于原子实在太小了,怎样稳稳的捏住一个原子才是问题的关键。
1918年,卢瑟福利用天然放射性元素所释放的阿尔法粒子从氮核中轰击出了质子,实现了第一次人工核反应。现在的大型强子对撞机可以产生TeV级别以上的能量(1T=10^12)。
那么还能不能捏得更碎一点呢?比如将质子和中子捏碎。虽然质子和中子都是由夸克构成的,但由于存在色禁闭现象,目前还没有技术手段可以将其击碎。至于电子、夸克等基本粒子还可不可以再分,目前还不知道。
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5. 能级交错规律?
根据泡利不相容原理和能量最低原理,电子总是先占满最低能级的电子层。但洪特规则告诉我们,有时候,电子先填最外层的ns,后填次外层的(n-1)d,甚至填入倒数第三层的(n-2)f的规律叫做“能级交错”。
6. 不相容原理的内容是什么?
泡利不相容原理自旋为半整数的粒子(费米子)所遵从的一条原理。简称泡利原理。它可表述为全同费米子体系中不可能有两个或两个以上的粒子同时处于相同的单粒子态。电子的自旋,电子遵从泡利原理。1925年W.E.泡利为说明化学元素周期律提出来的。原子中电子的状态由主量子数n、角量子数l、磁量子数ml以及自旋磁量子数ms所描述,因此泡利原理又可表述为原子内不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的4个量子数n、l、ml、ms。
根据泡利原理可很好地说明化学元素的周期律。
泡利原理是全同费米子遵从的一条重要原则,在所有含有电子的系统中,在分子的化学价键理论中、在固态金属、半导体和绝缘体的理论中都起着重要作用。
后来知道泡利原理也适用于其他如质子、中子等费米子。泡利原理是认识许多自然现象的基础。例子,比如氦原子的两个电子,都在第一层(K层),电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向,自旋方向必然相反。
每一轨道中只能客纳自旋相反的两个电子,每个电子层中可能容纳轨道数是n2个、每层最多容纳电子数是2n2。
7. 洪特规则的提出?
德国人弗里德里希·洪特(F.Hund),在1928年根据大量光谱实验数据总结出一个规律,即电子分布到能量简并的原子轨道时,优先以自旋相同的方式分别占据不同的轨道,因为这种排布方式原子的总能量最低。所以在能量相等的轨道上,电子尽可能自旋平行地多占不同的轨道。
例如碳原子核外有6个电子,按能量最低原理和泡利不相容原理,首先有2个电子排布到第一层的1s轨道中,另外2个电子填入第二层的2s轨道中,剩余2个电子排布在2个p轨道上,具有相同的自旋方向,而不是两个电子集中在一个p轨道,自旋方向相反。
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