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新闻消息文字稿
00:00如果你可以不断地将一张纸剪得越来越小
00:03一纸剪到微观级别会怎么样
00:06最终你会把一个分子切成两半
00:11然后再把一个原子切成两半吗
00:14从理论上讲
00:16你能剪到多小呢
00:17听起来很简单
00:19我们只需要找到最锋利的剪刀
00:21把一张纸剪成越来越小的碎片
00:23然后继续这个过程
00:25最后我们会得到什么呢
00:27我们知道自然界有其规则
00:29但这些规则在何处会让我们无计可施
00:31我们究竟能打破哪些束缚呢
00:33你可能会对答案感到震惊
00:36今天我们将深入探究一个主题
00:39看看它会走到哪里
00:41那个引人入胜的故事马上就要开始了
00:45首先你应该知道纸张并不是一块光滑的物体
00:52它看起来像一块由植物纤维编织而成的缠结垫子
00:56主要成分是纤维素
00:58放大观察
00:59每根纤维都是由更细小的纤维素组成的
01:02而在这些纤维素内部存在着被称为聚合物的长分子链
01:06聚合物是由较小的重复单元构成的大分子
01:10在这种情况下
01:12这些重复单元是通过共架件连接在一起的葡萄糖分子
01:16共架件是在两个原子的电子轨道重叠时形成的
01:21此时原子会共享电子
01:23这在它们之间建立了能量更低的稳定连接
01:28从而形成了牢固的化学件
01:30但这些纤维之所以能够粘合在一起
01:34主要是因为轻件的作用
01:36而不是共架件
01:37轻件是纤维素链上相邻氧原子和氢原子之间的弱电吸引力
01:43这种吸引力发生的原因是
01:47氧比氢具有更强的电伏性
01:49这意味着氧会吸引电子密度到自己这边
01:53使得附近的氢原子带有一点正电荷
01:56而氧原子带有一点负电荷
01:59这种电吸引力就形成了氢件
02:02还有一种更弱的吸引力
02:05也在帮助纤维相互粘联
02:07称为泛德华力
02:09这些现象发生
02:11是因为电子和分子总是在运动
02:14导致微小的瞬间变化
02:16当两个细胞表面非常接近时
02:19这些临时电荷会使它们相互产生轻微的吸引力
02:23每一种吸引力都非常微弱
02:26但是纸张有很多接触点
02:28所有这些微小的吸引力加在一起就会产生效果
02:32泛德瓦尔斯利本身并不能让纸张保持在一起
02:36但它们增加了很多额外的粘幅力
02:38剪刀在移动裂缝时
02:41还必须克服另一个因素
02:42把那些轻件想象成魔术贴
02:46是很多微小的钩子把表面固定在一起
02:49相比之下
02:51葡萄糖单元内部的强供架件
02:54比如碳的碳件
02:55更像是焊接好的钢铁
02:57而弱的泛德华力
03:00则像是刚从烘干机里拿出来的
03:02衣服之间的微弱静电吸附
03:04一旦拉开就会消失
03:06那么当剪刀剪的时候会发生什么呢
03:10首先剪刀的两片刀片会重叠并加住纸张
03:15使其无法滑动或滑开
03:17那它实际上切割的是什么
03:19分子间的剑
03:21那分子本身呢
03:23它也会切割原子吗
03:26答案归结为一点
03:28能量
03:29我是什么意思
03:32我将逐步详细解释
03:34剪刀的作用
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05:07同作用
05:08迫使纸张沿着一条
05:09非常特定的线条破裂
05:11随着裂痕迅速蔓延
05:13它自然的沿着阻力
05:15最小的路径前进
05:16大多数情况下
05:18这条阻力最小的路径
05:20位于纤维之间
05:21裂痕会破坏
05:23纤维表面之间的轻件
05:25和其他弱连接
05:26这就是为什么
05:29在放大镜下
05:30切割的边缘
05:31常常看起来模糊不清的原因
05:32纤维被拉扯
05:34磨损并部分脱落
05:36有时
05:38纤维臂本身
05:39会分裂成多个小片段
05:41这涉及到
05:43纤维内部纤维素
05:44为纤维之间的
05:45轻件断裂
05:46但当纤维真正
05:49被完全切断时
05:51纤维素中的某些
05:52供价件也会断裂
05:54这些是纤维链中的
05:55强化学连接
05:56这会在断裂处
06:00产生新的分子链末端
06:03这就是纸张切割时
06:06确实会切断分子的原因
06:08一个长的纤维素分子
06:11分裂成两个较短的
06:12纤维素分子
06:13这确实意味着
06:14一个分子被切断了
06:16但需要明确的是
06:17这是影响
06:18纸张中极小的
06:19一部分分子
06:20大部分的切割
06:22仍然发生在纤维之间
06:24即通过轻件
06:25而不是切割
06:26纤维之间的
06:27共架件
06:28如果你不断
06:30将纸屑切得更小
06:32就会不断产生
06:33新的裂口表面
06:35每一个新的表面
06:37都意味着
06:38更多的纤维
06:39纤维件被撕裂
06:40更多的纤维素链
06:41在纤维被切断的地方断裂
06:44但是这种裂纹
06:46存在偏向性
06:46它更倾向于
06:48沿着纤维之间
06:49以及不弱层面扩散
06:51而不是强行穿透
06:52每一个聚合物链
06:54因此会产生
06:57五彩纸屑
06:57绒毛和灰尘
06:58这些仍然由纤维
07:00和碎片组成
07:01这些并不是
07:02自由漂浮的孤立分子
07:04仍然有
07:06由许多分子
07:07构成的固体块
07:08还存在
07:10几何形状的限制
07:11剪刀的刀刃
07:13并不是无限锋利的
07:14即使是刀刃非常锋利
07:16质量很高的剪刀
07:17其边缘的半径
07:19也有数千
07:19到数百万个原子
07:21那么宽
07:21当你切割的碎片厚度
07:24与剪刀刀刃的厚度
07:25相当或更小时
07:27材料往往会弯曲和变形
07:29而无法干净利落地被剪切
07:32这种切割方式
07:34变成了挤压
07:35而不是精确的分子级切割
07:37因此
07:39虽然切割确实会破坏
07:41锻炼面上的某些供价件
07:42但它并不能可靠地
07:44将整个物体分解成单个分子
07:46要将纤维素针
07:48正分解成像葡萄糖
07:50这样的小分子
07:51化学家们会使用水解
07:53或煤这样的化学反应
07:55而不是厨房用的剪刀
07:57那么让我们回答最初的问题
08:00剪刀能剪多长呢
08:01剪刀实际上能剪断什么样的物质
08:05我们可以把这看作是一种物质断裂的层次结构
08:08范德瓦尔斯利就像羽毛一样轻
08:10它们只需要不到100电子福特的能量
08:14就能将物质分开
08:15轻件是最轻量的化学件
08:18分裂这些轻件只需要几十分之一电子福特的能量
08:23供价件是中等强度的化学件
08:25分裂一个典型的化学件需要几电子福特的能量
08:30剪刀可以在列文前沿
08:32集中足够的硬力来断裂一些供价件
08:35这种情况发生在纤维实际被切断的地方
08:39但要更进一步
08:41就必须开始破坏原子内部的核件
08:44这些都是重元素
08:47结合能以每核子数百万电子福特剂
08:51与普通的化学件相比
08:53这在能量尺度上是一个大约100万的飞跃
08:56机械刀片无法进入那个环
08:59它们甚至无法进入那个竞技场
09:01这有两个主要原因
09:03第一个是几何形状
09:04原子的直径大约是10纳米
09:07正如我之前所说
09:09即使是锋利的钢鞭
09:11其半径也要大几千到几百万倍
09:13你无法将力量集中在单个原子上
09:16你同时挤压数百万个原子
09:19材料会沿着现有的化学件断裂来响应
09:23第二点是能量
09:26即使你能完美地刺穿一个原子
09:29剪刀也远远达不到分裂原子和所需的能量密度
09:33要切割一个原子
09:35你需要使用离子辐射
09:37粒子数或核反应等手段
09:39这些都是完全不同的过程
09:41需要高能物理学知识
09:42而不是家用工具能做到的
09:44现在我会告诉你这是如何实现的
09:48但如果你看过电影奥本海默
09:50你就知道这种工程技术的极端性了
09:52所以从一张纸到五彩纸线的转变过程是这样的
09:57纸的结构是由纤维组成的
09:59这些纤维主要通过轻件和机械缠结结合在一起
10:03剪刀加住纸张产生巨大的硬力
10:07导致沿着阻力最小的路径出现裂纹
10:10先断裂的是范德瓦尔斯利和轻件
10:13但一些供架件也会失效
10:16尤其是在纤维被切断的地方
10:18然后我们遇到了一个障碍
10:22原子和对剪刀来说是无法切割的
10:25但如果你想完全切断包括单个原子呢
10:29你会怎么做呢
10:32嗯 这是可以做到的
10:34我们有这项技术
10:36但你不会使用剪刀或任何有普通物质制成的工具
10:40你需要将大量的能量注入一个比原子本身还小的空间
10:45而人类迄今为止
10:48唯一实现这一点的方法是使用高能粒子
10:51也就是质子中子或重离子将它们加速到极高的速度
10:56换句话说
10:57要分裂一个原子
10:59你必须用足够的能量撞击它
11:01以破坏其原子核的稳定性
11:04这就是在粒子加速器中发生的事情
11:07这些机器利用强大的电场将粒子加速到接近光速
11:12然后将其瞄准目标
11:15当高速粒子撞击原子核时
11:20这种冲击力可以使其破裂
11:23重新排列其组成部分
11:24并从所有能量中产生全新的粒子
11:28这个过程被称为核散射或核裂变
11:31这是物理学家研究物质结构的主要方法之一
11:36原子分裂的另一种方式是核裂变
11:39这是核反应堆中使用的过程
11:41在核反应中
11:43一个入射的中子被像有235这样的重核吸收
11:47这个额外的中子使得原子核变得不稳定
11:51它会分裂成两个较小的核以及更多的中子
11:55这种分裂会释放出巨大的能量
11:59因为新形成的核的结合能比原来的更高
12:02在这两种情况下
12:05关键点都是这个
12:07你不能像切纸一样切割原子
12:10你需要给原子核施加足够的能量
12:14或使其足够不稳定
12:15使其自行破裂
12:17你不能简单的切割原子核
12:19那样会破坏它的稳定性
12:21所有这些操作都在极其受控的环境中进行
12:25使用的设备庞大如建筑物
12:27配备有屏蔽装置
12:29真空式
12:30磁约束系统
12:31低温技术
12:32以及多层安全协议
12:33这完全不像是用机械工具切割材料
12:38核裂变属于物理学的高端领域
12:42处于高能量和极小距离的边界
12:44远远超出了日常工具所能影响的范围
12:47下次当你做出整齐的切割时
12:52请记住你实际上是在聚合物的森林中
12:55开辟一条微小的裂缝
12:57解开弱件
12:58在边缘形成强件
13:00同时让原子核完全暴露无防
13:02然后借助高能物理来实现更深入的切割
13:06希望你学到了新知识
13:07我们下次视频见
13:09我的朋友
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