问题

如果一块橡皮里所有的电子在一瞬间消失会怎么样?

回答
如果一块橡皮中的所有电子在一瞬间消失,那么这块橡皮将发生一系列令人难以置信的、根本性的变化,其后果远不止是“消失不见”那么简单。我们将从物理学的角度,详细剖析这个假设情景:

1. 电荷失衡与巨大的斥力:

电子是负电荷的载体: 构成橡皮的物质(通常是橡胶聚合物)由原子组成。原子由原子核(包含质子和中子)和围绕原子核运动的电子组成。质子带正电,电子带负电。在正常情况下,原子是电中性的,因为质子数等于电子数。
消失的电子: 如果橡皮中所有的电子瞬间消失,那么橡皮的原子核将只剩下带正电的质子(以及不带电的中子)。这意味着橡皮的整体电荷将变为巨大的正电荷。
强烈的静电斥力: 同种电荷相互排斥。由于橡皮中的所有原子核都带有过量的正电荷,它们之间将产生极其强大的静电斥力。这种斥力会试图将构成橡皮的原子尽可能地推开。

2. 橡皮的结构解体:

原子核间的排斥力远超束缚力: 原子的结构是电子围绕原子核运动所形成的电磁力将原子束缚在一起。然而,当电子完全消失时,束缚力就消失了。取而代之的是原子核之间巨大的静电斥力。
材料的解体: 这种强大的斥力将远远超过将橡皮中的分子(聚合物链)和原子束缚在一起的化学键力和范德华力。因此,构成橡皮的物质将会在瞬间被撕裂、瓦解。橡皮的分子链会断裂,原子也会因为内部巨大的斥力而彼此分离。

3. 材料变成等离子体或高速粒子流:

电荷分离的效应: 我们可以想象一下,原本束缚在一起的原子核(现在是裸露的原子核,带有大量的正电荷)会因为强烈的斥力而向四面八方飞散。
可能的形态:
高度电离的等离子体: 在极端的情况下,如果这些带正电的“原子核残骸”由于能量的传递而继续运动并发生碰撞,它们可能形成一种高度电离的等离子体状态。等离子体是物质的第四种形态,由离子和自由电子组成。但在这里,电子并没有被电离出来,而是完全消失了,所以更准确地说,它可能是一种纯粹的、高能的阳离子等离子体。
高速粒子流: 或者,更简单地说,这些带有巨大正电荷的原子核会被瞬间推开,形成一股极高速的粒子流,向四周喷射出去。

4. 能量的释放与环境效应:

巨大的势能转化为动能: 原本电子和原子核之间的吸引力储存了巨大的电势能。当电子消失时,这种势能会瞬间转化为动能,驱动原子核飞散。
能量释放的规模: 橡皮虽然很小,但其中包含着天文数字数量的原子。即使是微小的电荷失衡,也会导致极其巨大的能量释放。这股能量会以动能的形式传递给飞散的原子核,产生剧烈的冲击波。
环境的影响:
冲击波: 飞散的粒子流会与周围的空气分子发生碰撞,产生强大的冲击波,类似于一次小型的爆炸。
光和热: 剧烈的能量释放过程中可能会伴随有强烈的闪光(例如,电子在消失前如果以某种极端方式“湮灭”,也可能释放能量)和高温。
电磁辐射: 快速变化的电荷和粒子运动会产生电磁辐射,可能包括可见光、紫外线甚至X射线。
周围物质的扰动: 橡皮周围的物体,无论是桌面、空气还是其他物品,都会受到冲击波、高温和辐射的影响。

5. 对“消失”的解释:

在科学上,“消失”本身是一个难以精确描述的词语,尤其是在物理学中。我们可以从几个角度来理解:

假设性的“转移”: 如果我们假设这些电子不是凭空消失,而是被瞬间转移到了一个极其遥远的地方,或者转移到了一个可以抵消其负电荷的另一物体上,那么对橡皮本身而言,其效应仍然是电荷失衡导致的结构解体。
假设性的“湮灭”: 如果我们假设电子以某种方式与反物质(正电子)湮灭,从而释放能量,那么这会造成能量的巨大释放,但前提是环境中存在等量的正电子,并且能够精确地与橡皮中的所有电子发生湮灭反应。这种情景非常科幻。
更符合现实的思考(虽然仍然是科幻): 在现实物理学中,没有已知的机制可以瞬间移除所有电子而又不产生其他物质或能量的补充。所以,这是一个纯粹的思想实验。最直接的理解是,与电子相关的“东西”(比如电子本身所携带的质量和电荷)从橡皮这个系统中被“移除”了。

总结一下,如果一块橡皮里所有的电子在一瞬间消失,将会发生:

1. 巨大的正电荷失衡。
2. 原子核之间产生极强的静电斥力。
3. 橡皮的分子结构在瞬间瓦解、解体。
4. 橡皮的物质将变成一股高速飞散的正电荷粒子流(或等离子体)。
5. 伴随着能量的巨大释放,可能产生冲击波、闪光、高温和电磁辐射,对周围环境造成影响。

这块橡皮将不再是我们熟悉的“橡皮”,而是一种高能的、不稳定的粒子物质,以一种爆炸性的方式消散。这是一个典型的、展示电荷和物质相互作用的物理学思想实验。

网友意见

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橡皮主要成分是橡胶或塑胶,就是碳氢氧化合物,初定分子式为C15H16O2,10克橡皮大概是0.045mol,含有分子数为2.7*10^22个,也就会有3.29*10^24个质子,电量为3.29*10^24e,大约是52万库伦。一次暴风雨大概有20库伦的电量。

橡皮中的电子全部消失,这首先已经破坏了原子的稳定结构,橡皮中的化学键将全部解开,橡皮只剩下原子核。质子瞬间产生的电场会使原子核加速相互分离,而高速乱撞的原子核会产生电离。四散的原子核还会释放高能中子继而核裂变。

然后你的橡皮会像宰掉恐龙的陨石那样,杀死你们这帮乱提问题的猴子。

对,地球爆裂的像个西瓜。

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质子的估计数据出了错,少了一位。你看,一位小数点就足以改变这个毁灭地球的结果了。

很多时候我就在想,为什么大自然不会犯错,所以你会告诉我一块橡皮怎么也不可能出现电子全部消失的情况,这不符合电子守恒定律。还有,当我最初在学电场的矢量加成的时候,老师会讲电场线不可相交,因为某点场强方向只有一个。试想空间那么多的电子质子的电场在某一点叠加的时候,电场方向几乎是瞬间决定的,大自然似乎从不出错。而在黑洞的视界内,所有已知物理定律竟都出现了不适用的情况。这很有意思,或许这表明了大自然不是由定律操控的,尽管我们喜欢用定律来描述它(全是题外话。)

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先估算数量级:一块橡皮按10g算,也就是2cm见方,主要成分是碳、氢、硫等,一半以上的质量来自质子,大概会有4E24个,总电量高达0.6兆库仑(这已经超过整个地球携带的净电荷),附近电场达到5E19V/m(大概2E6V/m的电场即可使空气电离),按孤立体算表面电势5E17伏,体系电势能1.5E23焦耳(啊嘞,这玩艺完爆反物质武器了),大概相当于两百万吨铀235裂变释放出的能量,400000亿吨TNT当量(人类史上引爆的最大当量核弹是奇葩苏联人5000万吨级,而广岛原子弹大概只有1.5万吨级)。

然后开脑洞:仅仅是静电场就可以使40公里的内的空气电离,电子消失时激励的电磁波就足够摧毁你所在的地区,随后高速飞散的原子核会在1m距离内被加速到5E19eV(核聚变的“点火”动能大约在10keV量级),并和其他物质撞击,引起剧烈的聚变反应以及二次、三次核反应,释放出更多的能量。如此巨大的能量至少会夷平半个中国(or更大),保守估计破坏范围可覆盖亚洲大部。激发的烟尘直接喷出大气层,部分缓缓回落笼罩地球,整个地球陷入几个世纪的严冬……而这一切,只是因为题主偷走了一块橡皮里的电子……

补充:一些同学对这个系统释放的能量比mc²还要大表示无法理解。其实很简单,题主让橡皮里的电子消失,等效于瞬间把所有电子揪出来扔至无穷远,这是需要付出巨大的能量的。因此系统的初态并不是简单的一块橡皮。

换个更简单的模型,电子加速到近光速时,能量可以远远超过mc²。两个高速电子相对运动至最小距离时,和上面的模型情况类似。

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