趣談 | 刀能切開物體，是刀刃進(jìn)入了物體原子的縫隙還是將原子切碎了？

在今天的開篇前，先來提一個(gè)假說：如果有一根1個(gè)納米寬，足夠結(jié)實(shí)的線來切割人的身體，能否將人切斷？（文末解答）

今天我們來聊一聊，在切割分離物體時(shí)，在微觀層面到底發(fā)生了什么，是什么被分離開了，是原子核，還是分子，還是其他？

切人魔術(shù)

物質(zhì)是靠什么結(jié)合在一起的？

以水來舉例：

單個(gè)氧原子核由8個(gè)質(zhì)子通過核力組合后再與8個(gè)中子聚合而成；

單個(gè)水分子由2個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子通過化學(xué)鍵組合而成；

而水分子之間通過氫鍵作用聚合而成為純水。

化學(xué)鍵是純凈物分子內(nèi)或晶體內(nèi)相鄰兩個(gè)或多個(gè)原子（或離子）間強(qiáng)烈的相互作用力的統(tǒng)稱?；瘜W(xué)鍵是一種力，并不是一種實(shí)物結(jié)構(gòu)上的連接。

強(qiáng)大的核力

20世紀(jì)初，人們只知道自然界存在著兩種力：一種是萬有引力，另一種是電磁力。對(duì)于帶電粒子，在相同的距離上這兩種力的強(qiáng)度差別很大，電磁力大約要比萬有引力強(qiáng)10^35倍。（110的35次方倍）反正就是很大的差距吧。

基于這兩種力的性質(zhì)，原子核中的質(zhì)子（帶正電）如果要靠自身的萬有引力來對(duì)抗相互間的庫(kù)侖斥力（帶正電粒子之間相互排斥的電磁力）是不可能的！核物理學(xué)家猜想，原子核之間一定還有第三種相互作用的力存在，即存在著一種核力，是可以把質(zhì)子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核。后來的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了科學(xué)家的猜測(cè)，并進(jìn)一步揭示了核力的性質(zhì)與特點(diǎn)。

核力是強(qiáng)相互作用力（強(qiáng)力）的一種表現(xiàn)。在原子核的尺度內(nèi)，核力比庫(kù)侖力大得多（170多倍左右）。所以質(zhì)子不會(huì)被正電荷間的斥力給彈開。

核力有一種非常形象的比喻，就像好兄弟好基友之間純潔的友情一樣牢固。核力有一個(gè)特點(diǎn)：即核力在大于0.8*10^-15m時(shí)表現(xiàn)為吸引力，且隨距離增大而減小，超過1.5*10^-15m時(shí)，核力急速下降幾乎消失；而在距離小于0.8*10^-15m時(shí)，核力表現(xiàn)為互斥力，因此核子不會(huì)融合在一起。你懂的，好兄弟可以好到睡一張床，但是絕對(duì)不會(huì)相互“進(jìn)入”對(duì)方。

切開原子難嗎？

首先明確一下切開的定義，以硅原子為例，,一個(gè)硅原子由14個(gè)質(zhì)子、14個(gè)中子和14個(gè)電子組成。切開原子的意思是說把通過外力把硅原子核中的質(zhì)子與質(zhì)子或中子分開的話就算切開成功了。而要做到這個(gè)只需要切斷質(zhì)子之間的核力即可。

雖然不同原子之間的質(zhì)量差別很大，但它們的尺寸都差不多。例如，钚原子的質(zhì)量是氫原子的200多倍，但钚原子的直徑只有氫原子的3倍左右。根據(jù)測(cè)量，原子的直徑一般在0.1至0.5納米，即1×10^-10至5×10^-10米。

掃描隧道顯微鏡下的硅原子

但是其實(shí)我們無法做到去切一個(gè)原子核，因?yàn)橐晕覀內(nèi)祟惸壳暗募夹g(shù)，無法做出這么薄的刀片。我們?cè)谏钪杏玫娜魏我环N切割工具的刀口寬度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原子核的寬度非常多！

下圖是一把美工刀的刀口，顯微鏡下刀刃寬度是7微米。7 微米=7000 納米，原子核的寬度0.1納米，各位細(xì)品，這就好比用7萬個(gè)人排成一排的刀口，來“切”你一個(gè)人。

顯微鏡下的美工刀刀刃

寬度是7微米

所以，切開一個(gè)原子核是做不到的，但是切不開可以撞碎，比如高能粒子對(duì)撞機(jī)，或核裂變中用高速中子去轟擊原子核，都可以做到把原子核轟碎的效果。但是所需要的能量非常巨大。

據(jù)記錄大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），讓兩束運(yùn)動(dòng)方向相反的質(zhì)子子流，進(jìn)行正面加速后猛烈碰撞，其碰撞所釋放的能量相當(dāng)于一輛重400噸的火車，以每小時(shí)200公里的速度前進(jìn)時(shí)所具有的能量。

粒子對(duì)撞機(jī)示意圖

物體是怎么被切分開的？

這么看下來生活中切割分離一個(gè)物體，絕對(duì)不是把它的原子核分開了。那我們是如何把物體切分開的呢？是什么發(fā)生了斷裂呢？

這是一個(gè)單晶硅的切割模擬，每個(gè)綠色小球都是一個(gè)硅原子，不同的顏色對(duì)應(yīng)的右上角的不同數(shù)字，這個(gè)數(shù)字代表周圍其他的近鄰硅原子的數(shù)量。

正常情況下，單晶硅晶體每個(gè)硅周圍都有4個(gè)其他硅原子。當(dāng)切割開始后，裂紋尖端受到刀刃的擠壓，產(chǎn)生極大的應(yīng)力。為了釋放掉這些應(yīng)力材料會(huì)發(fā)生變形，受力處的硅晶體間的化學(xué)鍵會(huì)發(fā)生斷裂，導(dǎo)致裂紋尖端非晶化。當(dāng)然，不同的材料/刀刃角度帶來的切割機(jī)制肯定是不一樣的，這里只是一個(gè)個(gè)例。

水分子隧道掃描結(jié)構(gòu)

所以我們其實(shí)并沒有切壞分子結(jié)構(gòu)，刀切的過程，其實(shí)是擠壓被切物體表面，使得物體兩個(gè)相鄰片層間產(chǎn)生切變形的過程。當(dāng)切變引起的拉應(yīng)力達(dá)到一定值的時(shí)候，相鄰片層的相互作用力（可能是分子鍵、離子鍵、金屬鍵、共價(jià)鍵）發(fā)生斷裂。當(dāng)這種斷裂連續(xù)發(fā)生，且不再接合，切斷現(xiàn)象就發(fā)生了。從微觀角度上來說，我們并不是切斷物質(zhì)，而是把物質(zhì)間的作用力擠斷了而已。但是比如像水這樣的物質(zhì)，我們一直用刀切也不可能把它的化學(xué)鍵切斷而生出氫氣與氧氣。

我們只是“切"斷了分子間的相互作用

但是不同物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同，在切割時(shí)多數(shù)情況下是通過外力導(dǎo)致分子之間的連接力被打斷，一個(gè)物體被“切開”從微觀角度來說是分子與分子之間分離的結(jié)果。

但是晶體不同，晶體都有一個(gè)共同的特征，那就是它們的微觀結(jié)構(gòu)中都不存在單個(gè)的分子結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)我們用刀切開這幾種類型的晶體時(shí)，確實(shí)是切開了它們內(nèi)部原子之間的化學(xué)鍵（即金屬鍵、共價(jià)鍵和離子鍵）。

比如單晶硅

從微觀的角度來看，冰其實(shí)就是由大量的水分子通過氫鍵和范德華力（即分子間作用力）形成的規(guī)則結(jié)構(gòu)，換句話來講就是，在其中是存在著單個(gè)的分子結(jié)構(gòu)的，每一個(gè)水分子都是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子通過共價(jià)鍵結(jié)合而成。

比如我們切冰塊

相對(duì)水分子內(nèi)部原子之間的共價(jià)鍵來講，水分子之間的相互作用就要弱得多，因此當(dāng)我們切開這一類晶體時(shí)，其實(shí)是切開了其內(nèi)部分子之間的相互作用，而不會(huì)切開其內(nèi)部的單個(gè)分子。

同樣的道理，對(duì)于那些不是晶體的固體結(jié)構(gòu)而言，其內(nèi)部通常都擁有大量的單個(gè)分子結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)我們用刀切開這類物體時(shí)，絕大多數(shù)時(shí)候都是切開了其內(nèi)部分子之間的相互作用，而不會(huì)切開其內(nèi)部的單個(gè)分子，為什么要說是“絕大多數(shù)時(shí)候”呢？這是因?yàn)榇嬖谥恍┨厥馇闆r。

例如像動(dòng)物這一類的由各種復(fù)雜蛋白大分子組成的聚合物，其內(nèi)部單個(gè)分子的長(zhǎng)度就可以很長(zhǎng)，所以當(dāng)我們用刀切開或者手撕時(shí)，就有可能會(huì)直接切開其內(nèi)部的蛋白質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)。

梵觀點(diǎn)：回到開篇提的問題，”一根1個(gè)納米寬，足夠結(jié)實(shí)的線來切割人體，能否將人體切斷？"答案是可以切斷，至于切斷的后果主要看切的速度和部位。如果非常快的速度切脖子，肯定就掛了，但是如果切的速度夠慢，切斷的部位會(huì)在身體保護(hù)機(jī)制的促進(jìn)下逐步愈合。也不會(huì)掛，只是過程會(huì)很痛苦。因?yàn)樯眢w會(huì)把外來物包裹起來，導(dǎo)致線變粗。

不過這只是我個(gè)人腦補(bǔ)的，歡迎大家提出不一樣的觀點(diǎn)。