You probably already know everything is made up of little tiny things called atoms or even that each atom is made up of even smaller particles called protons, neutrons and electrons. And you've probably heard that atoms are small. But I bet you haven't ever thought about how small atoms really are. Well, the answer is that they are really, really small. So you ask, just how small are atoms? To understand this, let's ask this question: How many atoms are in a grapefruit? Well, let's assume that the grapefruit is made up of only nitrogen atoms, which isn't at all true, but there are nitrogen atoms in a grapefruit. To help you visualize this, let's blow up each of the atoms to the size of a blueberry. And then how big would the grapefruit have to be? It would have to be the same size of -- well, actually, the Earth. That's crazy! You mean to say that if I filled the Earth with blueberries, I would have the same number of nitrogen atoms as a grapefruit? That's right! So how big is the atom? Well, it's really, really small! And you know what? It gets even more crazy. Let's now look inside of each atom -- and thus the blueberry, right? -- What do you see there? In the center of the atom is something called the nucleus, which contains protons and neutrons, and on the outside, you'd see electrons. So how big is the nucleus? If atoms are like blueberries in the Earth, how big would the nucleus be? You might remember the old pictures of the atom from science class, where you saw this tiny dot on the page with an arrow pointing to the nucleus. Well, those pictures, they're not drawn to scale, so they're kind of wrong. So how big is the nucleus? So if you popped open the blueberry and were searching for the nucleus ... You know what? It would be invisible. It's too small to see! OK. Let's blow up the atom -- the blueberry -- to the size of a house. So imagine a ball that is as tall as a two-story house. Let's look for the nucleus in the center of the atom. And do you know what? It would just barely be visible. So to get our minds wrapped around how big the nucleus is, we need to blow up the blueberry, up to the size of a football stadium. So imagine a ball the size of a football stadium, and right smack dab in the center of the atom, you would find the nucleus, and you could see it! And it would be the size of a small marble. And there's more, if I haven't blown your mind by now. Let's consider the atom some more. It contains protons, neutrons and electrons. The protons and neutrons live inside of the nucleus, and contain almost all of the mass of the atom. Way on the edge are the electrons. So if an atom is like a ball the size of a football stadium, with the nucleus in the center, and the electrons on the edge, what is in between the nucleus and the electrons? Surprisingly, the answer is empty space. (Wind noise) That's right. Empty! Between the nucleus and the electrons, there are vast regions of empty space. Now, technically there are some electromagnetic fields, but in terms of stuff, matter, it is empty. Remember this vast region of empty space is inside the blueberry, which is inside the Earth, which really are the atoms in the grapefruit. OK, one more thing, if I can even get more bizarre. Since virtually all the mass of an atom is in the nucleus -- now, there is some amount of mass in the electrons, but most of it is in the nucleus -- how dense is the nucleus? Well, the answer is crazy. The density of a typical nucleus is four times 10 to the 17th kilograms per meter cubed. But that's hard to visualize. OK, I'll put it in English units. 2.5 times 10 to the 16th pounds per cubic feet. OK, that's still kind of hard to figure. OK, here's what I want you to do. Make a box that is one foot by one foot by one foot. Now let's go and grab all of the nuclei from a typical car. Now, cars on average weigh two tons. How many cars' nuclei would you have to put into the box to have your one-foot-box have the same density of the nucleus? Is it one car? Two? How about 100? Nope, nope and nope. The answer is much bigger. It is 6.2 billion. That is almost equal to the number of people in the Earth. So if everyone in the Earth owned their own car -- and they don't -- (Cars honking) and we put all of those cars into your box ... That would be about the density of a nucleus. So I'm saying that if you took every car in the world and put it into your one-foot box, you would have the density of one nucleus. OK, let's review. The atom is really, really, really small. Think atoms in a grapefruit like blueberries in the Earth. The nucleus is crazy small. Now look inside the blueberry, and blow it up to the size of a football stadium, and now the nucleus is a marble in the middle. The atom is made up of vast regions of empty space. That's weird. The nucleus has a crazy-high density. Think of putting all those cars in your one-foot box. I think I'm tired.
ご存知かもしれませんが あらゆる物質は 原子という微小なもので構成されています また それぞれの原子は 陽子 中性子 電子という 更に小さな粒子で構成されています 原子はとても小さいです しかしきっと 原子がどのくらい小さいかを 考えたことは無いでしょう 答えを言うと とても とても 小さいです 原子はどのくらい小さいかって? 理解するために こんな質問をしてみましょう グレープフルーツ1個には何個の原子が含まれるでしょう? そのグレープフルーツは窒素原子のみから成ると仮定します 全くそんなことはありませんが しかしグレープフルーツには窒素原子が含まれています 視覚化のために それぞれの原子を ブルーベリーの大きさまで拡大してみましょう するとグレープフルーツはどのくらいの 大きさになるでしょう? 実のところ ほぼ地球と同じサイズにまでなるのです そんなバカな! 地球がブルーベリーで一杯だったら 同じ数の窒素原子もグレープフルーツに あるはずだと言いたいんでしょう? その通り! では原子はどのくらいの大きさでしょう? 原子はとても とても とても とても小さいです て知っそしていますか? 話はより一層バカげてくるのです 各原子 つまりブルーベリーの中を覗いてみましょう 何が見えますか? 原子の中心には核と呼ばれるものがあり 陽子と中性子で構成されています そして外側には電子が見えます では核はどのくらいの大きさでしょう? 原子が地球上でのブルーベリーなら 原子核はどのくらいの大きさでしょう? 昔理科の授業で見た原子の写真に 小さな点が原子核を指す矢印とともに描かれているのを 思い浮かべていることでしょう それらの図は縮尺を正確に表していないので ある意味で不正確です では原子核はどのくらいの大きさでしょう? ブルーベリーの中身を取り出し 原子核を探してみても 見ることはできません 肉眼で見るには小さすぎるのです では原子 ここではブルーベリーを 家の大きさまで拡大してみましょう 2階建ての家と同じくらいの高さのボールを 想像してみてください 原子の中で核を探してみましょう それでも核はほとんど見えません 原子核がどのくらいの大きさかを理解するためには ブルーベリーをフットボール競技場のサイズにまで 拡大しなければなりません フットボール競技場の大きさの ボールを思い浮かべてください ちょうど原子の真ん中で 原子核が見つかるでしょう ようやく見えたのです! それでも小さなビー玉程度の大きさでしかありません これまでに心が折れていないなら まだ話が続きます 原子についてもうちょっと考えてみましょう 原子は陽子、中性子、電子を持ちます 陽子と中性子は原子核内に存在し 原子の質量のほぼ全てを持ちます 端にあるのが電子です 原子がフットボール競技場の中での ボールのようなもので 核が中心に 電子が端にあるとしたら 核と電子の間には何があるのでしょう? 驚くことに 答えは 空っぽの空間です (風の音) その通り 空っぽです! 核と電子の間にはとても広い 空っぽの空間が存在します 厳密には電磁場がありますが 物質という点で見ると空っぽです 気をつけなければいけないのは この広い空っぽの空間は ブルーベリーの内部であり 地球の内部であること つまり実際にはグレープフルーツ内の原子だということです ではもう1つ 更におかしなことを 原子の全質量は事実上核内に存在しているので — 電子も微量ながら質量を持ちますが ほとんどの質量は核内にあります — 核の密度はどれほどでしょう? 答えはとんでもないものです 標準的な核の密度は 4 ×10^17 kg/m^3 です しかし想像するのは困難です じゃあ英国単位に換算してみましょう 2.5 × 10^16 ポンド毎立方フィート です これでもまだ分かりにくいですよね では こうしてみてください 一辺が30センチの立方体をつくってください 次に一般的な車から核を全て取ってみましょう 車は平均して2トンです 30センチ四方の箱を原子核と同じ密度にするには 何台の車の核を箱に詰めなければならないでしょう? 1台?2台? 100台ではどう? ダメ ダメ 全然ダメ 答えはずっと大きくて 62億台です 地球上の人類の数にほぼ匹敵します 地球上の人類全てが車を持っており — 実際にはそんなことは無いのですが — (ブー ブー) 全ての車を箱に詰めたとしたら それが原子核の密度です 世界中の全ての車を 30cmの箱に詰めたら 原子核の密度が得られるのです おさらいしましょう 原子はとても とても とても 小さいのです グレープフルーツ内に存在する原子は 地球上に存在するブルーベリーのようなものです 原子核は信じられない程小さいです ブルーベリー内部を観察してみましょう フットボールスタジアム大にまで拡大してみると 原子核は中心に存在するビー玉程度です 原子は広い空っぽの空間で構成されています 奇妙ですね 核はありえないほど高い密度を持っています 全ての車を30cmの箱に詰め込んだ様子を想像してください 疲れたなぁ