近日讀到一篇分析原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)文章，它從原子中巨大的空間說(shuō)起，談到質(zhì)子、中子，又談到夸克和玻色子，最后談到弦，得出的結(jié)論是原子中本來(lái)空空如也，并且咱們整個(gè)世界都是由一維的“弦”及能量構(gòu)成，給人一種世界虛無(wú)的玄幻印象。

今天我們也來(lái)解剖原子，看看世界到底是物質(zhì)的呢，還是虛幻的？

（溫馨提醒：本文約3400字，讀完大約需要5分鐘時(shí)間。你可以選擇看大標(biāo)題、粗體要點(diǎn)和文末結(jié)論部分來(lái)了解。）

原子很空

前幾天在寫(xiě)一篇關(guān)于原子的文章時(shí)，我用了下面這張圖來(lái)形容原子內(nèi)部的空間：

如果將原子比作體育場(chǎng)，原子核與電子的位置

當(dāng)我們將一個(gè)原子放大到體育場(chǎng)的大小，電子會(huì)處在看臺(tái)的位置，這時(shí)候原子核在哪里？圖片中黃色箭頭指向草坪，原子核有草坪那么大嗎？并不是，原子核太小了，在體育場(chǎng)里它只有綠豆那么大，所以我們沒(méi)辦法在圖中把它標(biāo)出來(lái)。我們能在看臺(tái)上找到電子嗎？很難，電子比座椅上的灰塵還?。?/strong>

由此可見(jiàn)，原子內(nèi)部真的很空。

實(shí)際上，構(gòu)成世間萬(wàn)物的原子的直徑大約在10?1?m的數(shù)量級(jí)，比如說(shuō)我們最常見(jiàn)的碳原子直徑為182pm（皮米，1皮米相當(dāng)于1米的一萬(wàn)億分之一），也就是1.82×10?1?m，一個(gè)C-12原子的質(zhì)量?jī)H為1.993×10?2?kg。

原子的質(zhì)量主要集中在它的原子核，準(zhǔn)確地說(shuō)是集中在其質(zhì)子和中子。所以我們通常將原子畫(huà)成這個(gè)樣子以突出原子核：

通常所見(jiàn)的原子模型

在日常所見(jiàn)的原子模型中，原子核是顆大大的球，它很突出地居于原子中間，電子圍繞在它的周?chē)\(yùn)轉(zhuǎn)，就像行星繞著太陽(yáng)運(yùn)行一樣。

類(lèi)似的圖都是錯(cuò)誤的。如果你在任何一張A4紙上畫(huà)原子，原子核都幾乎小到看不見(jiàn)，而電子更是無(wú)處尋找。原子核的體積僅為原子體積的千億分之一，也就是說(shuō)在原子中除原子核外有99.99%以上是空的，但就是這極小的原子核，卻集中了原子99.96%的質(zhì)量。

原子是有質(zhì)量的。盡管小，盡管很空，但原子并不是虛無(wú)。

原子的“殼”

原子核與電子之間看似有巨大的空間，這空間里有什么？

原子核中至少有一個(gè)質(zhì)子，除氫的同位素氕外，其它的元素原子核還會(huì)有中子。中子對(duì)外顯示電中性，質(zhì)子帶正電荷，所以原子核整體帶正電。

氘原子結(jié)構(gòu)

帶正電的原子核周?chē)嬖趶?qiáng)大的電場(chǎng)，電子也有自己的電場(chǎng)，帶負(fù)電荷的電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，原子核與電子之間主要是靜電力的相互作用。

電子很輕，質(zhì)量?jī)H為9.11×10?31kg，它在原子這樣的極小尺度里以接近光速運(yùn)行，所以從外部看，電子是隨機(jī)出現(xiàn)在原子外圍，它并不會(huì)像行星圍繞恒星那樣以圓周軌道或橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，它的軌跡更像是一團(tuán)云霧，因此被稱(chēng)為電子云。

氫原子的電子云像一團(tuán)濃霧，它表示電子會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)在各個(gè)位置

我們并不實(shí)際了解電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，但科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了圍繞原子核運(yùn)行的電子有它們各自的軌道，并且這些軌道呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

不要以為原子核與電子軌道之間很空，你就可以隨便進(jìn)入，事實(shí)上當(dāng)電子占滿(mǎn)了它們的軌道之后，就在原子的外圍構(gòu)建起了一層或幾層無(wú)形的“殼”，除了不帶電的中子和中微子外，這個(gè)殼層（又稱(chēng)“能層”）是謝絕其它物質(zhì)入內(nèi)的。

這就是為什么原子看起來(lái)很空，但它又十分堅(jiān)硬的原因。致密的原子核擁有強(qiáng)大的電場(chǎng)，它吸引電子在其周?chē)⑵鹨粚訜o(wú)形的硬殼，除非把它投入到恒星中央或核聚變反應(yīng)堆中，否則我們無(wú)法穿透原子的殼層。

致密的原子核

原子核以千億分之一的體積占據(jù)了原子99.96%的質(zhì)量，它是致密的，原子核的密度大約為101?kg/m3。如果你在1立方厘米小手指尖大小的空間里裝滿(mǎn)原子核，它的重量將達(dá)到1億噸！

除氕外，其它元素的原子核都由質(zhì)子和中子組成。

原子核構(gòu)成示意圖

原子核中質(zhì)子的數(shù)量被稱(chēng)為原子序數(shù)，它決定原子是什么；中子是原子核的“穩(wěn)定劑”。當(dāng)原子序數(shù)小于20時(shí)，原子核里質(zhì)子與中子的數(shù)量基本相等，無(wú)論中子多了或少了，原子核都不穩(wěn)定，它有放射性，會(huì)通過(guò)衰變和釋放能量來(lái)使自己達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。但是當(dāng)原子核里的質(zhì)子數(shù)量大于20個(gè)時(shí)，它就需要更多的中子來(lái)幫助穩(wěn)定。

原子核里并不空，質(zhì)子之間以及質(zhì)子與中子之間被強(qiáng)力緊緊地拉在一起。質(zhì)子的靜止質(zhì)量是1.6726231(10)×10?2?kg，是電子質(zhì)量的1836倍；中子跟質(zhì)子差不多大，它的靜止質(zhì)量為1.6749286(10)×10?2?kg，約是電子質(zhì)量的1838倍。我們不能單純把質(zhì)子與中子的質(zhì)量簡(jiǎn)單相加來(lái)得到原子核的質(zhì)量，事實(shí)上原子核的質(zhì)量要小一些，這是因?yàn)橐徊糠值馁|(zhì)量被轉(zhuǎn)化為核子之間的結(jié)合能量了。

原子的核力

前面的章節(jié)提到，質(zhì)子是帶正電荷的，它有電場(chǎng)，兩個(gè)質(zhì)子之間因?yàn)殡姾上嗤瑫?huì)相互排斥，為什么在原子核里它們可以緊密地“粘”在一起？

這是因?yàn)楹肆υ谄鹱饔谩?/p>

兩個(gè)質(zhì)子之間，或者說(shuō)兩個(gè)原子核之間因?yàn)榫哂邢嗤碾姾啥ハ嗯懦?，這個(gè)排斥的力是靜電力。靜電力很強(qiáng)大，它使質(zhì)子擁有自己的勢(shì)力范圍，我們稱(chēng)之為庫(kù)侖勢(shì)壘。如果想把兩個(gè)質(zhì)子捏合在一起，就需要非常大的力來(lái)克服這個(gè)庫(kù)侖勢(shì)壘。

兩個(gè)原子核之間因靜電力互相排斥

可是一旦兩個(gè)質(zhì)子接近到2.5fm（飛米，1飛米等于一千分之一皮米）時(shí)，核力就起作用了，它會(huì)迅速將質(zhì)子拉到一起，同時(shí)向外釋放巨大的能量，這個(gè)聚變能量是由質(zhì)子的質(zhì)量轉(zhuǎn)化的。核力是強(qiáng)力，它比靜電力強(qiáng)137倍，可以確保原子核保持穩(wěn)定，不會(huì)散開(kāi)。

將兩個(gè)質(zhì)子壓在一起會(huì)發(fā)生核聚變

量子理論認(rèn)為原子核內(nèi)部的結(jié)合力是核力，核力是一種強(qiáng)相互作用力，它是由介子提供的，介子是一種夸克組合。

質(zhì)子與中子由夸克構(gòu)成

科學(xué)家們通過(guò)強(qiáng)大的粒子對(duì)撞機(jī)撞擊微觀(guān)粒子后證實(shí)，質(zhì)子與中子還是可以再分割的，它們由一種叫“夸克”的微觀(guān)粒子組成。

與電子一樣，夸克是更小的基本粒子，同時(shí)，夸克也是有質(zhì)量的。科學(xué)家們目前共找到6種不同“味道”的夸克，它們分別是 它們是上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、頂（t）和底（b）夸克。每一種味的夸克質(zhì)量各不相同，其中上夸克質(zhì)量約在1.7 - 3.3（ MeV/c2）間，它帶+2?3電荷；下夸克的質(zhì)量為4.1 - 5.8（ MeV/c2），它帶-1?3電荷。

通常兩個(gè)上夸克與一個(gè)下夸克結(jié)合成一個(gè)質(zhì)子，而一個(gè)上夸克與兩個(gè)下夸克組合會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中子，質(zhì)子與中子又稱(chēng)為重子。質(zhì)子與中子的電性質(zhì)是由夸克的電性質(zhì)決定的，從夸克的角度看，中子并不是不帶電，它只是對(duì)外顯示電中性。

兩個(gè)上夸克與一個(gè)下夸克組成了質(zhì)子

夸克之間并不相互吸引，將夸克拉在一起結(jié)合成質(zhì)子或中子的是另一種基本粒子“膠子”，膠子沒(méi)有質(zhì)量，但它負(fù)責(zé)在夸克之間傳遞強(qiáng)力，從而將夸克拉在一起。量子物理學(xué)認(rèn)為夸克不能單獨(dú)存在（夸克禁閉），所以膠子盡管跟光子一樣沒(méi)有質(zhì)量，它也無(wú)法達(dá)到光速，因?yàn)樗仨毰c夸克共存。

而通過(guò)強(qiáng)力將質(zhì)子、中子拉在一起形成原子核的介子，它是由一對(duì)正反夸克組成的。

夸克還能不能再分？

沒(méi)有實(shí)驗(yàn)可以證明夸克還可以分成更小的粒子，但科學(xué)家們認(rèn)為夸克應(yīng)該是分層的，這決定了夸克擁有不同的“味”、不同的“色”以及不同的質(zhì)量?；蛟S未來(lái)的某一天我們可以確定夸克可以被分得更小，這不僅需要理論支持，還需要科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)加以證實(shí)。

到目前為止科學(xué)家們證實(shí)能找到的基本粒子包括：

6種夸克：上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、頂（t）和底（b）夸克；

6種輕子：電子、 μ子、 τ子、電子中微子、 μ子中微子和 τ子中微子；

四種規(guī)范波色子：光子、膠子、w和z玻色子

和被稱(chēng)作“上帝粒子”的希格斯玻色子。

已經(jīng)確認(rèn)的基本粒子圖表

總結(jié)：

一、我們了解了原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，原子核與核外電子都是有質(zhì)量的實(shí)體粒子，盡管很“空”，但強(qiáng)大的靜電場(chǎng)決定了原子內(nèi)部巨大的空間是“不可侵犯”的。

二、原子核內(nèi)的強(qiáng)相互作用力會(huì)將質(zhì)子與中子拉在一起，要做到這一點(diǎn)并不容易，你需要付出極大能量去克服靜電力造成的庫(kù)侖勢(shì)壘；而一旦兩個(gè)質(zhì)子足夠接近時(shí)將引發(fā)核聚變，原子核的改變會(huì)伴隨強(qiáng)大能量的釋放。

三、質(zhì)子與中子都由更小的基本粒子夸克結(jié)合而成，夸克由膠子傳遞的強(qiáng)力結(jié)合在一起；同樣，原子核內(nèi)部核子之間則是由一對(duì)正反夸克組成的介子傳遞的強(qiáng)力“粘合”在一起。

四、原子并不是虛空，組成原子的幾乎所有的基本粒子都已經(jīng)被證明了具有體積和質(zhì)量，原子是質(zhì)量與能量的結(jié)合體。最近的科學(xué)檢測(cè)結(jié)果表明，此前一直被定義為“質(zhì)量嚴(yán)格為0”的光子也具有質(zhì)量，光子的靜止質(zhì)量小于1.2×10^(-51)g。這證明構(gòu)成宏觀(guān)宇宙的一切物質(zhì)都是真實(shí)存在的三維物體，而不是由一維“弦的振動(dòng)”或能量構(gòu)成的虛幻世界。

五、科學(xué)需要推理與想象，科學(xué)同時(shí)需要現(xiàn)實(shí)可驗(yàn)證，單憑計(jì)算、推理與想象并不能被稱(chēng)為科學(xué)。到目前為止，所有的“弦理論”、“十維時(shí)空”、“膜結(jié)構(gòu)”、“多重宇宙”以及“宇宙由能量構(gòu)成”等等都僅是數(shù)學(xué)上的推理，沒(méi)有任何一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)或觀(guān)察可以證明它們真實(shí)存在。

有人稱(chēng)“弦理論”可以解釋一切，遺憾的是它從來(lái)沒(méi)有得到過(guò)證明

因此，無(wú)論從經(jīng)典物理學(xué)還是量子物理、無(wú)論對(duì)微觀(guān)粒子的研究還是對(duì)宏觀(guān)世界觀(guān)察，都證明我們生活的這個(gè)宇宙都是物質(zhì)的、四維的和真實(shí)的。