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。
