原子内部果真是空无一物？

近日读到一篇阐发原子内部布局文章，它从原子中庞大的空间说起，谈到质子、中子，又谈到夸克和玻色子，最后谈到弦，得出的结论是原子中原本一无所有，而且咱们整个宿世界都是由一维的“弦”及能量组成，给人一种宿世界虚无的玄幻印象。

今天我们也来剖解原子，看看宿世界到底是物质的呢，仍是虚幻的？

（温馨提醒：本文约3400字，读完大约需要5~10分钟时候。您可以选择看大题目、粗体要点和文末结论部门来领会。）

原子很空

前几天在写一篇关于原子的文章时，我用了下面这张图来形容原子内部的空间：

若是将原子比作体育场，原子核与电子的位置

当我们将一个原子放大到体育场的巨细，电子会处在看台的位置，这时辰原子核在哪里？图片中黄色箭头指标的目的草坪，原子核有草坪那么大吗？并不是，原子核太小了，在体育场里它只有绿豆那么大，所以我们没法子在图中把它标出来。我们能在看台上找到电子吗？很难，电子比座椅上的尘埃还小！

由此可见，原子内部真的很空。

现实上，组成宿世间万物的原子的直径大约在10^-10m的数目级，好比说我们最常见的碳原子直径为182pm（皮米，1皮米半斤八两于1米的一万亿分之一），也就是1.82×10^-10m，一个C-12原子的质量仅为1.993×10-²⁶kg。

原子的质量本家儿要集中在它的原子核，精确地说是集中在其质子和中子。所以我们凡是将原子画当作这个样子以凸起原子核：

凡是所见的原子模子

在日常所见的原子模子中，原子核是颗大大的球，它很凸起地居于原子中心，电子环绕在它的四周运转，就像行星绕着太阳运行一样。

近似的图都是错误的。若是您在任何一张A4纸上画原子，原子核都几乎小到看不见，而电子更是无处寻找。原子核的体积仅为原子体积的千亿分之一，也就是说在原子中除原子核外有99.99%以上是空的，但就是这极小的原子核，却集中了原子99.96%的质量。

原子是有质量的。尽管小，尽管很空，但原子并不是虚无。

原子的“壳”

原子核与电子之间看似有庞大的空间，这空间里有什么？

原子核中至少有一个质子，除氢的同位素氕外，其它的元素原子核还会有中子。中子对外显示电中性，质子带正电荷，所以原子核整体带正电。

氘原子布局

带正电的原子核四周存在壮大的电场，电子也有本身的电场，带负电荷的电子环绕原子核活动，原子核与电子之间本家儿如果静电力的彼此感化。

电子很轻，质量仅为9.11×10^-31kg，它在原子这样的极小标准里以接近光速运行，所以从外部看，电子是随机呈现在原子外围，它并不会像行星环绕恒星那样以圆周轨道或椭圆轨道活动，它的轨迹更像是一团云雾，是以被称为电子云。

氢原子的电子云像一团浓雾，它暗示电子会随机呈现在各个位置

我们并不现实领会电子的活动轨迹，但科学家经由过程尝试证实了环绕原子核运行的电子有它们各自的轨道，而且这些轨道呈现必然的纪律性。

不要觉得原子核与电子轨道之间很空，您就可以随便进入，事实上当电子占满了它们的轨道之后，就在原子的外围构建起了一层或几层无形的“壳”，除了不带电的中子和中微子外，这个壳层（又称“能层”）是回绝其它物质入内的。

这就是为什么原子看起来很空，但它又十分坚硬的原因。致密的原子核拥有壮大的电场，它吸引电子在其四周成立起一层无形的硬壳，除非把它投入到恒星中心或核聚变反映堆中，不然我们无法穿透原子的壳层。

致密的原子核

原子核以千亿分之一的体积占有了原子99.96%的质量，它是致密的，原子核的密度大约为10¹⁷kg/m³。若是您在1立方厘米小手指尖巨细的空间里装满原子核，它的重量将达到1亿吨！

除氕外，其它元素的原子核都由质子和中子构成。

原子核组成示意图

原子核中质子的数目被称为原子序数，它决议原子是什么；中子是原子核的“不变剂”。当原子序数小于20时，原子核里质子与中子的数目根基相等，无论中子多了或少了，原子核都不不变，它有放射性，会经由过程衰变和释放能量来使本身达到不变的状况。可是当原子核里的质子数目大于20个时，它就需要更多的中子来帮忙不变。

原子核里并不空，质子之间以及质子与中子之间被强力紧紧地拉在一路。质子的静止质量是1.6726231×10^-27kg，是电子质量的1836倍；中子跟质子差不多大，它的静止质量为1.6749286×10^-27kg，约是电子质量的1838倍。我们不克不及纯真把质子与中子的质量简单相加来获得原子核的质量，事实上原子核的质量要小一些，这是因为一部门的质量被转化为核子之间的连系能量了。

原子的核力

前面的章节提到，质子是带正电荷的，它有电场，两个质子之间因为电荷不异会彼此排斥，为什么在原子核里它们可以慎密地“粘”在一路？

这是因为核力在起感化。

两个质子之间，或者说两个原子核之间因为具有不异的电荷而互相排斥，这个排斥的力是静电力。静电力很壮大，它使质子拥有本身的势力规模，我们称之为库仑势垒。若是想把两个质子捏合在一路，就需要很是大的力来降服这个库仑势垒。

两个原子核之间因静电力互相排斥

可是一旦两个质子接近到2.5fm（飞米，1飞米等于一千分之一皮米）时，核力就起感化了，它会敏捷将质子拉到一路，同时标的目的外释放庞大的能量，这个聚变能量是由质子的质量转化的。核力是强力，它比静电力强137倍，可以确保原子核连结不变，不会散开。

将两个质子压在一路会发生核聚变

量子理论认为原子核内部的连系力是核力，核力是一种强彼此感化力，它是由介子供给的，介子是一种夸克组合。

质子与中子由夸克组成

科学家们经由过程壮大的粒子对撞机撞击微不雅粒子后证实，质子与中子仍是可以再朋分的，它们由一种叫“夸克”的微不雅粒子构成。

与电子一样，夸克是更小的根基粒子，同时，夸克也是有质量的。科学家们今朝共找到6种分歧“味道”的夸克，它们别离是它们是上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、顶（t）和底（b）夸克。每一种味的夸克质量各不不异，此中上夸克质量约在1.7 - 3.3（ MeV/c²）间，它带+2?3电荷；下夸克的质量为4.1 - 5.8（ MeV/c²），它带-1?3电荷。

凡是两个上夸克与一个下夸克连系当作一个质子，而一个上夸克与两个下夸克组合会发生一个中子，质子与中子又称为重子。质子与中子的电性质是由夸克的电性质决议的，从夸克的角度看，中子并不是不带电，它只是对外显示电中性。

两个上夸克与一个下夸克构成了质子

夸克之间并不彼此吸引，将夸克拉在一路连系当作质子或中子的是另一种根基粒子“胶子”，胶子没有质量，但它负责在夸克之间传递强力，从而将夸克拉在一路。量子物理学认为夸克不克不及零丁存在（夸克禁闭），所以胶子尽管跟光子一样没有质量，它也无法达到光速，因为它必需与夸克共存。

而经由过程强力将质子、中子拉在一路形当作原子核的介子，它是由一对正反夸克构成的。

夸克还能不克不及再分？

没有尝试可以证实夸克还可以分当作更小的粒子，但科学家们认为夸克应该是分层的，这决议了夸克拥有分歧的“味”、分歧的“色”以及分歧的质量。或许将来的某一天我们可以确定夸克可以被分得更小，这不仅需要理论撑持，还需要科学尝试的成果来加以证实。

到今朝为止科学家们证实能找到的根基粒子包罗：

6种夸克：上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、顶（t）和底（b）夸克；

6种轻子：电子、 μ子、 τ子、电子中微子、 μ子中微子和 τ子中微子；

四种规范波色子：光子、胶子、w和z玻色子

和被称作“天主粒子”的希格斯玻色子。

已经确认的根基粒子图表

总结：

一、我们领会了原子内部的布局，原子核与核外电子都是有质量的实体粒子，尽管很“空”，但壮大的静电场决议了原子内部庞大的空间是“不成加害”的。

二、原子核内的强彼此感化力会将质子与中子拉在一路，要做到这一点并不轻易，您需要支出极大能量去降服静电力造当作的库仑势垒；而一旦两个质子足够接近时将激发核聚变，原子核的改变会陪伴壮大能量的释放。

三、质子与中子都由更小的根基粒子夸克连系而当作，夸克由胶子传递的强力连系在一路；同样，原子核内部核子之间则是由一对正反夸克构成的介子传递的强力“粘合”在一路。

四、原子并不是虚空，构成原子的几乎所有的根基粒子都已经被证实了具有体积和质量，原子是质量与能量的连系体。比来的科学检测成果表白，此前一向被界说为“质量严酷为0”的光子也具有质量，光子的静止质量小于1.2×10^-51g。这证实组成宏不雅宇宙的一切物质都是真实存在的三维物体，而不是由一维“弦的振动”或能量组成的虚幻宿世界。

五、科学需要推理与想象，科学同时需要实际可验证，单凭计较、推理与想象并不克不及被称为科学。到今朝为止，所有的“弦理论”、“十维时空”、“膜布局”、“多重宇宙”以及“宇宙由能量组成”等等都仅是数学上的推理，没有任何一项尝试或不雅察可以证实它们真实存在。