原子內部果真是空無一物？

近日讀到一篇闡發原子內部布局文章，它從原子中龐大的空間說起，談到質子、中子，又談到夸克和玻色子，最后談到弦，得出的結論是原子中原本一無所有，而且咱們整個宿世界都是由一維的“弦”及能量組成，給人一種宿世界虛無的玄幻印象。

今天我們也來剖解原子，看看宿世界到底是物質的呢，仍是虛幻的？

（溫馨提醒：本文約3400字，讀完大約需要5~10分鐘時候。您可以選擇看大題目、粗體要點和文末結論部門來領會。）

原子很空

前幾天在寫一篇關于原子的文章時，我用了下面這張圖來形容原子內部的空間：

若是將原子比作體育場，原子核與電子的位置

當我們將一個原子放大到體育場的巨細，電子會處在看臺的位置，這時辰原子核在哪里？圖片中黃色箭頭指標的目的草坪，原子核有草坪那么大嗎？并不是，原子核太小了，在體育場里它只有綠豆那么大，所以我們沒法子在圖中把它標出來。我們能在看臺上找到電子嗎？很難，電子比座椅上的塵埃還小！

由此可見，原子內部真的很空。

現實上，組成宿世間萬物的原子的直徑大約在10^-10m的數目級，好比說我們最常見的碳原子直徑為182pm（皮米，1皮米半斤八兩于1米的一萬億分之一），也就是1.82×10^-10m，一個C-12原子的質量僅為1.993×10-²⁶kg。

原子的質量本家兒要集中在它的原子核，精確地說是集中在其質子和中子。所以我們凡是將原子畫當作這個樣子以凸起原子核：

凡是所見的原子模子

在日常所見的原子模子中，原子核是顆大大的球，它很凸起地居于原子中心，電子環繞在它的四周運轉，就像行星繞著太陽運行一樣。

近似的圖都是錯誤的。若是您在任何一張A4紙上畫原子，原子核都幾乎小到看不見，而電子更是無處尋找。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%的質量。

原子是有質量的。盡管小，盡管很空，但原子并不是虛無。

原子的“殼”

原子核與電子之間看似有龐大的空間，這空間里有什么？

原子核中至少有一個質子，除氫的同位素氕外，其它的元素原子核還會有中子。中子對外顯示電中性，質子帶正電荷，所以原子核整體帶正電。

氘原子布局

帶正電的原子核四周存在壯大的電場，電子也有本身的電場，帶負電荷的電子環繞原子核活動，原子核與電子之間本家兒如果靜電力的彼此感化。

電子很輕，質量僅為9.11×10^-31kg，它在原子這樣的極小標準里以接近光速運行，所以從外部看，電子是隨機呈現在原子外圍，它并不會像行星環繞恒星那樣以圓周軌道或橢圓軌道活動，它的軌跡更像是一團云霧，是以被稱為電子云。

氫原子的電子云像一團濃霧，它暗示電子會隨機呈現在各個位置

我們并不現實領會電子的活動軌跡，但科學家經由過程嘗試證實了環繞原子核運行的電子有它們各自的軌道，而且這些軌道呈現必然的紀律性。

不要覺得原子核與電子軌道之間很空，您就可以隨便進入，事實上當電子占滿了它們的軌道之后，就在原子的外圍構建起了一層或幾層無形的“殼”，除了不帶電的中子和中微子外，這個殼層（又稱“能層”）是回絕其它物質入內的。

這就是為什么原子看起來很空，但它又十分堅硬的原因。致密的原子核擁有壯大的電場，它吸引電子在其四周成立起一層無形的硬殼，除非把它投入到恒星中心或核聚變反映堆中，不然我們無法穿透原子的殼層。

致密的原子核

原子核以千億分之一的體積占有了原子99.96%的質量，它是致密的，原子核的密度大約為10¹⁷kg/m³。若是您在1立方厘米小手指尖巨細的空間里裝滿原子核，它的重量將達到1億噸！

除氕外，其它元素的原子核都由質子和中子構成。

原子核組成示意圖

原子核中質子的數目被稱為原子序數，它決議原子是什么；中子是原子核的“不變劑”。當原子序數小于20時，原子核里質子與中子的數目根基相等，無論中子多了或少了，原子核都不不變，它有放射性，會經由過程衰變和釋放能量來使本身達到不變的狀況。可是當原子核里的質子數目大于20個時，它就需要更多的中子來幫忙不變。

原子核里并不空，質子之間以及質子與中子之間被強力緊緊地拉在一路。質子的靜止質量是1.6726231×10^-27kg，是電子質量的1836倍；中子跟質子差不多大，它的靜止質量為1.6749286×10^-27kg，約是電子質量的1838倍。我們不克不及純真把質子與中子的質量簡單相加來獲得原子核的質量，事實上原子核的質量要小一些，這是因為一部門的質量被轉化為核子之間的連系能量了。

原子的核力

前面的章節提到，質子是帶正電荷的，它有電場，兩個質子之間因為電荷不異會彼此排斥，為什么在原子核里它們可以慎密地“粘”在一路？

這是因為核力在起感化。

兩個質子之間，或者說兩個原子核之間因為具有不異的電荷而互相排斥，這個排斥的力是靜電力。靜電力很壯大，它使質子擁有本身的勢力規模，我們稱之為庫侖勢壘。若是想把兩個質子捏合在一路，就需要很是大的力來降服這個庫侖勢壘。

兩個原子核之間因靜電力互相排斥

可是一旦兩個質子接近到2.5fm（飛米，1飛米等于一千分之一皮米）時，核力就起感化了，它會敏捷將質子拉到一路，同時標的目的外釋放龐大的能量，這個聚變能量是由質子的質量轉化的。核力是強力，它比靜電力強137倍，可以確保原子核連結不變，不會散開。

將兩個質子壓在一路會發生核聚變

量子理論認為原子核內部的連系力是核力，核力是一種強彼此感化力，它是由介子供給的，介子是一種夸克組合。

質子與中子由夸克組成

科學家們經由過程壯大的粒子對撞機撞擊微不雅粒子后證實，質子與中子仍是可以再朋分的，它們由一種叫“夸克”的微不雅粒子構成。

與電子一樣，夸克是更小的根基粒子，同時，夸克也是有質量的。科學家們今朝共找到6種分歧“味道”的夸克，它們別離是它們是上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、頂（t）和底（b）夸克。每一種味的夸克質量各不不異，此中上夸克質量約在1.7 - 3.3（ MeV/c²）間，它帶+2?3電荷；下夸克的質量為4.1 - 5.8（ MeV/c²），它帶-1?3電荷。

凡是兩個上夸克與一個下夸克連系當作一個質子，而一個上夸克與兩個下夸克組合會發生一個中子，質子與中子又稱為重子。質子與中子的電性質是由夸克的電性質決議的，從夸克的角度看，中子并不是不帶電，它只是對外顯示電中性。

兩個上夸克與一個下夸克構成了質子

夸克之間并不彼此吸引，將夸克拉在一路連系當作質子或中子的是另一種根基粒子“膠子”，膠子沒有質量，但它負責在夸克之間傳遞強力，從而將夸克拉在一路。量子物理學認為夸克不克不及零丁存在（夸克禁閉），所以膠子盡管跟光子一樣沒有質量，它也無法達到光速，因為它必需與夸克共存。

而經由過程強力將質子、中子拉在一路形當作原子核的介子，它是由一對正反夸克構成的。

夸克還能不克不及再分？

沒有嘗試可以證實夸克還可以分當作更小的粒子，但科學家們認為夸克應該是分層的，這決議了夸克擁有分歧的“味”、分歧的“色”以及分歧的質量。或許將來的某一天我們可以確定夸克可以被分得更小，這不僅需要理論撐持，還需要科學嘗試的成果來加以證實。

到今朝為止科學家們證實能找到的根基粒子包羅：

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；

四種規范波色子：光子、膠子、w和z玻色子

和被稱作“天主粒子”的希格斯玻色子。

已經確認的根基粒子圖表

總結：

一、我們領會了原子內部的布局，原子核與核外電子都是有質量的實體粒子，盡管很“空”，但壯大的靜電場決議了原子內部龐大的空間是“不成加害”的。

二、原子核內的強彼此感化力會將質子與中子拉在一路，要做到這一點并不輕易，您需要支出極大能量去降服靜電力造當作的庫侖勢壘；而一旦兩個質子足夠接近時將激發核聚變，原子核的改變會陪伴壯大能量的釋放。

三、質子與中子都由更小的根基粒子夸克連系而當作，夸克由膠子傳遞的強力連系在一路；同樣，原子核內部核子之間則是由一對正反夸克構成的介子傳遞的強力“粘合”在一路。

四、原子并不是虛空，構成原子的幾乎所有的根基粒子都已經被證實了具有體積和質量，原子是質量與能量的連系體。比來的科學檢測成果表白，此前一向被界說為“質量嚴酷為0”的光子也具有質量，光子的靜止質量小于1.2×10^-51g。這證實組成宏不雅宇宙的一切物質都是真實存在的三維物體，而不是由一維“弦的振動”或能量組成的虛幻宿世界。

五、科學需要推理與想象，科學同時需要實際可驗證，單憑計較、推理與想象并不克不及被稱為科學。到今朝為止，所有的“弦理論”、“十維時空”、“膜布局”、“多重宇宙”以及“宇宙由能量組成”等等都僅是數學上的推理，沒有任何一項嘗試或不雅察可以證實它們真實存在。