观焦点：趣谈 | 刀能切开物体，是刀刃进入了物体原子的缝隙还是将原子切碎了？

2023-03-13 14:24:23 来源：科普中国

在今天的开篇前，先来提一个假说：如果有一根1个纳米宽，足够结实的线来切割人的身体，能否将人切断？（文末解答）

今天我们来聊一聊，在切割分离物体时，在微观层面到底发生了什么，是什么被分离开了，是原子核，还是分子，还是其他？

(资料图片仅供参考)

切人魔术

物质是靠什么结合在一起的？

以水来举例：

单个氧原子核由8个质子通过核力组合后再与8个中子聚合而成；

单个水分子由2个氢原子和1个氧原子通过化学键组合而成；

而水分子之间通过氢键作用聚合而成为纯水。

化学键是纯净物分子内或晶体内相邻两个或多个原子（或离子）间强烈的相互作用力的统称。化学键是一种力，并不是一种实物结构上的连接。

强大的核力

20世纪初，人们只知道自然界存在着两种力：一种是万有引力，另一种是电磁力。对于带电粒子，在相同的距离上这两种力的强度差别很大，电磁力大约要比万有引力强10^35倍。（110的35次方倍）反正就是很大的差距吧。

基于这两种力的性质，原子核中的质子（带正电）如果要靠自身的万有引力来对抗相互间的库仑斥力（带正电粒子之间相互排斥的电磁力）是不可能的！核物理学家猜想，原子核之间一定还有第三种相互作用的力存在，即存在着一种核力，是可以把质子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。后来的实验证实了科学家的猜测，并进一步揭示了核力的性质与特点。

核力是强相互作用力（强力）的一种表现。在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多（170多倍左右）。所以质子不会被正电荷间的斥力给弹开。

核力有一种非常形象的比喻，就像好兄弟好基友之间纯洁的友情一样牢固。核力有一个特点：即核力在大于0.8*10^-15m时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过1.5*10^-15m时，核力急速下降几乎消失；而在距离小于0.8*10^-15m时，核力表现为互斥力，因此核子不会融合在一起。你懂的，好兄弟可以好到睡一张床，但是绝对不会相互“进入”对方。

切开原子难吗？

首先明确一下切开的定义，以硅原子为例，,一个硅原子由14个质子、14个中子和14个电子组成。切开原子的意思是说把通过外力把硅原子核中的质子与质子或中子分开的话就算切开成功了。而要做到这个只需要切断质子之间的核力即可。

虽然不同原子之间的质量差别很大，但它们的尺寸都差不多。例如，钚原子的质量是氢原子的200多倍，但钚原子的直径只有氢原子的3倍左右。根据测量，原子的直径一般在0.1至0.5纳米，即1×10^-10至5×10^-10米。

扫描隧道显微镜下的硅原子

但是其实我们无法做到去切一个原子核，因为以我们人类目前的技术，无法做出这么薄的刀片。我们在生活中用的任何一种切割工具的刀口宽度都远远大于原子核的宽度非常多！

下图是一把美工刀的刀口，显微镜下刀刃宽度是7微米。7 微米=7000 纳米，原子核的宽度0.1纳米，各位细品，这就好比用7万个人排成一排的刀口，来“切”你一个人。

显微镜下的美工刀刀刃

宽度是7微米

所以，切开一个原子核是做不到的，但是切不开可以撞碎，比如高能粒子对撞机，或核裂变中用高速中子去轰击原子核，都可以做到把原子核轰碎的效果。但是所需要的能量非常巨大。

据记录大型强子对撞机（LHC），让两束运动方向相反的质子子流，进行正面加速后猛烈碰撞，其碰撞所释放的能量相当于一辆重400吨的火车，以每小时200公里的速度前进时所具有的能量。

粒子对撞机示意图

物体是怎么被切分开的？

这么看下来生活中切割分离一个物体，绝对不是把它的原子核分开了。那我们是如何把物体切分开的呢？是什么发生了断裂呢？

这是一个单晶硅的切割模拟，每个绿色小球都是一个硅原子，不同的颜色对应的右上角的不同数字，这个数字代表周围其他的近邻硅原子的数量。

正常情况下，单晶硅晶体每个硅周围都有4个其他硅原子。当切割开始后，裂纹尖端受到刀刃的挤压，产生极大的应力。为了释放掉这些应力材料会发生变形，受力处的硅晶体间的化学键会发生断裂，导致裂纹尖端非晶化。当然，不同的材料/刀刃角度带来的切割机制肯定是不一样的，这里只是一个个例。

水分子隧道扫描结构

所以我们其实并没有切坏分子结构，刀切的过程，其实是挤压被切物体表面，使得物体两个相邻片层间产生切变形的过程。当切变引起的拉应力达到一定值的时候，相邻片层的相互作用力（可能是分子键、离子键、金属键、共价键）发生断裂。当这种断裂连续发生，且不再接合，切断现象就发生了。从微观角度上来说，我们并不是切断物质，而是把物质间的作用力挤断了而已。但是比如像水这样的物质，我们一直用刀切也不可能把它的化学键切断而生出氢气与氧气。

我们只是“切"断了分子间的相互作用

但是不同物质的结构不同，在切割时多数情况下是通过外力导致分子之间的连接力被打断，一个物体被“切开”从微观角度来说是分子与分子之间分离的结果。

但是晶体不同，晶体都有一个共同的特征，那就是它们的微观结构中都不存在单个的分子结构，因此当我们用刀切开这几种类型的晶体时，确实是切开了它们内部原子之间的化学键（即金属键、共价键和离子键）。

比如单晶硅

从微观的角度来看，冰其实就是由大量的水分子通过氢键和范德华力（即分子间作用力）形成的规则结构，换句话来讲就是，在其中是存在着单个的分子结构的，每一个水分子都是由两个氢原子和一个氧原子通过共价键结合而成。

比如我们切冰块

相对水分子内部原子之间的共价键来讲，水分子之间的相互作用就要弱得多，因此当我们切开这一类晶体时，其实是切开了其内部分子之间的相互作用，而不会切开其内部的单个分子。

同样的道理，对于那些不是晶体的固体结构而言，其内部通常都拥有大量的单个分子结构，因此当我们用刀切开这类物体时，绝大多数时候都是切开了其内部分子之间的相互作用，而不会切开其内部的单个分子，为什么要说是“绝大多数时候”呢？这是因为存在着一些特殊情况。

例如像动物这一类的由各种复杂蛋白大分子组成的聚合物，其内部单个分子的长度就可以很长，所以当我们用刀切开或者手撕时，就有可能会直接切开其内部的蛋白质大分子结构。

梵观点：回到开篇提的问题，”一根1个纳米宽，足够结实的线来切割人体，能否将人体切断？"答案是可以切断，至于切断的后果主要看切的速度和部位。如果非常快的速度切脖子，肯定就挂了，但是如果切的速度够慢，切断的部位会在身体保护机制的促进下逐步愈合。也不会挂，只是过程会很痛苦。因为身体会把外来物包裹起来，导致线变粗。

不过这只是我个人脑补的，欢迎大家提出不一样的观点。

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