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How big is 氦原子?

62 picometers!

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氦原子

氦原子有两个电子,围绕着由两个质子、且几乎总是两个中子构成的原子核运动。若采用与本站中氢原子相同的测量方法——即电子最可能出现位置到原子核距离的两倍——氦原子的直径约为 0.06 纳米,即 62 皮米。皮米是一米的万亿分之一。

大小

原子没有固定的形状或大小。它的电子在原子核周围形成一团没有清晰边界的电子云,因此原子的大小有多种定义方式,每一种都会得到不同的数值。这里给出的数值,来自对电子最可能出现位置的计算。

按这种测量方式,氦原子的电子最可能出现在距原子核约 31 皮米处,因此原子直径约为 62 皮米。这使得氦原子比氢原子更小,尽管它的电子数是氢原子的两倍。这是因为氦原子核含有两个质子而不是一个,更强的吸引力把电子拉得更近。

化学家还会测量两个独立原子在相互排斥之前能够靠近到多近。按这种被称为范德华半径的测量方式,氦原子的直径约为 280 皮米。

大小比较

  • 按同样的测量方式,氢原子的直径为 106 皮米,宽度约为氦原子的 1.7 倍。
  • 氦原子的宽度约为其原子核的 1.8 万倍,原子核直径约为 3.4 飞米。飞米是一纳米的百万分之一。
  • 如果把氦原子放大到一个包含端区、全长 110 米的美式足球场那么长,它的原子核直径约为 6 毫米。
  • 大约 130 万–160 万个氦原子并排排列,宽度就相当于一根头发的宽度。
  • 大约 60 个 1 皮米长的 γ 射线波长首尾相连,就相当于一个氦原子的宽度。

发现于太阳

氦最早是在太阳上被发现的,比在地球上发现还要早。每种元素发出的光都呈现出一系列分明的彩色谱线,称为该元素的光谱,其作用就像指纹一样。1868 年,天文学家皮埃尔·让森(Pierre Janssen)和约瑟夫·诺曼·洛克耶(Joseph Norman Lockyer)各自在太阳光谱中看到一条黄色谱线,它与任何已知元素都对不上。洛克耶以希腊语中意为“太阳”的赫利俄斯(Helios)为这种新元素命名。

1895 年,化学家威廉·拉姆齐(William Ramsay)在地球上发现了氦:将一种铀矿物溶于酸中时,释放出的气体里含有氦。同年,在乌普萨拉工作的瑞典化学家佩尔·特奥多尔·克莱夫(Per Teodor Cleve)和尼尔斯·亚伯拉罕·朗格勒(Nils Abraham Langlet)也独立发现了氦。

氦从何而来

氦是宇宙中含量第二丰富的元素,仅次于氢,约占太阳质量的四分之一。在地球上,氦产生于铀和钍的衰变:这些元素衰变时会放出 α 粒子,而每个 α 粒子其实就是一个氦原子核。一旦获得两个电子,它就成为一个氦原子。

其中一部分氦被封存在地下,人们从天然气中提取氦,天然气中氦的含量最高可达 7%。逃逸到大气中的氦足够轻,会彻底离开地球,飘散到太空中。液氦的沸点是 −269 摄氏度,是所有物质中最低的沸点,因此大多数医院的核磁共振(MRI)扫描仪都用它来冷却磁体。

参考资料

  • Theoretical Calculation of Absolute Radii of Atoms and Ions. Part 1. The Atomic Radii. Ghosh and Biswas, International Journal of Molecular Sciences, 2002.
  • Helium: Radii of Atoms and Ions. WebElements, University of Sheffield.
  • Helium. Royal Society of Chemistry, Periodic Table.
  • Electronic Structure of Atoms (Electron Configurations). In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
  • Periodic Variations in Element Properties. In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
  • Atomic Weight of Helium. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.
  • Radiation Basics. U.S. Environmental Protection Agency, 2026.
  • Bohr Radius. NIST, CODATA 2022.
  • Alpha Particle RMS Charge Radius. NIST, CODATA 2022.
  • 2026 NFL Rulebook. National Football League, 2026.
  • Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.

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Scale of the Universe > 氦原子
电子显微镜可视极限
电子显微镜让我们可以看到非常小的东西(例如原子), 否则因为它们比可见光的波长更小, 所以无法看见.
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Gamma-射线有很高的频率, 可以从放射性衰变中产生. 噢对了, 它实际上不是左边画的浅蓝 色喔.
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铀是原子序最高的自然元素, 也有自然元素中最大的原子核. 铀-238, 是最普遍的铀同位素 , 半衰期是 45 亿年, 大概就是地球现在的岁数.
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