原子的运动轨迹和变化（从对原子的微观分析看宏观世界的物质性）

近日读到一篇分析原子内部结构文章，它从原子中巨大的空间说起，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本来空空如也，并且咱们整个世界都是由一维的“弦”及能量构成，给人一种世界虚无的玄幻印象。

今天我们也来解剖原子，看看世界到底是物质的呢，还是虚幻的？

（温馨提醒：本文约3400字，读完大约需要5分钟时间。你可以选择看大标题、粗体要点和文末结论部分来了解。）

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：

如果将原子比作体育场，原子核与电子的位置

当我们将一个原子放大到体育场的大小，电子会处在看台的位置，这时候原子核在哪里？图片中黄色箭头指向草坪，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，所以我们没办法在图中把它标出来。我们能在看台上找到电子吗？很难，电子比座椅上的灰尘还小！

由此可见，原子内部真的很空。

实际上，构成世间万物的原子的直径大约在10⁻¹⁰m的数量级，比如说我们最常见的碳原子直径为182pm（皮米，1皮米相当于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。

原子的质量主要集中在它的原子核，准确地说是集中在其质子和中子。所以我们通常将原子画成这个样子以突出原子核：

通常所见的原子模型

在日常所见的原子模型中，原子核是颗大大的球，它很突出地居于原子中间，电子围绕在它的周围运转，就像行星绕着太阳运行一样。

类似的图都是错误的。如果你在任何一张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巨大的空间，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。

氘原子结构

带正电的原子核周围存在强大的电场，电子也有自己的电场，带负电荷的电子围绕原子核运动，原子核与电子之间主要是静电力的相互作用。

电子很轻，质量仅为9.11×10⁻³¹kg，它在原子这样的极小尺度里以接近光速运行，所以从外部看，电子是随机出现在原子外围，它并不会像行星围绕恒星那样以圆周轨道或椭圆轨道运动，它的轨迹更像是一团云雾，因此被称为电子云。

氢原子的电子云像一团浓雾，它表示电子会随机出现在各个位置

我们并不实际了解电子的运动轨迹，但科学家通过实验证明了围绕原子核运行的电子有它们各自的轨道，并且这些轨道呈现一定的规律性。

不要以为原子核与电子轨道之间很空，你就可以随便进入，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”）是谢绝其它物质入内的。

这就是为什么原子看起来很空，但它又十分坚硬的原因。致密的原子核拥有强大的电场，它吸引电子在其周围建立起一层无形的硬壳，除非把它投入到恒星中央或核聚变反应堆中，否则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据了原子99.96%的质量，它是致密的，原子核的密度大约为10¹⁷kg/m³。如果你在1立方厘米小手指尖大小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组成。

原子核构成示意图

原子核中质子的数量被称为原子序数，它决定原子是什么；中子是原子核的“稳定剂”。当原子序数小于20时，原子核里质子与中子的数量基本相等，无论中子多了或少了，原子核都不稳定，它有放射性，会通过衰变和释放能量来使自己达到稳定的状态。但是当原子核里的质子数量大于20个时，它就需要更多的中子来帮助稳定。

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起。质子的静止质量是1.6726231(10)×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)×10⁻²⁷kg，约是电子质量的1838倍。我们不能单纯把质子与中子的质量简单相加来得到原子核的质量，事实上原子核的质量要小一些，这是因为一部分的质量被转化为核子之间的结合能量了。

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相同会相互排斥，为什么在原子核里它们可以紧密地“粘”在一起？

这是因为核力在起作用。

两个质子之间，或者说两个原子核之间因为具有相同的电荷而互相排斥，这个排斥的力是静电力。静电力很强大，它使质子拥有自己的势力范围，我们称之为库仑势垒。如果想把两个质子捏合在一起，就需要非常大的力来克服这个库仑势垒。

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，核力就起作用了，它会迅速将质子拉到一起，同时向外释放巨大的能量，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，可以确保原子核保持稳定，不会散开。

将两个质子压在一起会发生核聚变

量子理论认为原子核内部的结合力是核力，核力是一种强相互作用力，它是由介子提供的，介子是一种夸克组合。

质子与中子由夸克构成

科学家们通过强大的粒子对撞机撞击微观粒子后证实，质子与中子还是可以再分割的，它们由一种叫“夸克”的微观粒子组成。

与电子一样，夸克是更小的基本粒子，同时，夸克也是有质量的。科学家们目前共找到6种不同“味道”的夸克，它们分别是 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相同，其中上夸克质量约在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。

通常两个上夸克与一个下夸克结合成一个质子，而一个上夸克与两个下夸克组合会产生一个中子，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定的，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组成了质子

夸克之间并不相互吸引，将夸克拉在一起结合成质子或中子的是另一种基本粒子“胶子”，胶子没有质量，但它负责在夸克之间传递强力，从而将夸克拉在一起。量子物理学认为夸克不能单独存在（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，因为它必须与夸克共存。

而通过强力将质子、中子拉在一起形成原子核的介子，它是由一对正反夸克组成的。

夸克还能不能再分？

没有实验可以证明夸克还可以分成更小的粒子，但科学家们认为夸克应该是分层的，这决定了夸克拥有不同的“味”、不同的“色”以及不同的质量。或许未来的某一天我们可以确定夸克可以被分得更小，这不仅需要理论支持，还需要科学实验的结果来加以证实。

到目前为止科学家们证实能找到的基本粒子包括：

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“上帝粒子”的希格斯玻色子。

已经确认的基本粒子图表

总结：

一、我们了解了原子内部的结构，原子核与核外电子都是有质量的实体粒子，尽管很“空”，但强大的静电场决定了原子内部巨大的空间是“不可侵犯”的。

二、原子核内的强相互作用力会将质子与中子拉在一起，要做到这一点并不容易，你需要付出极大能量去克服静电力造成的库仑势垒；而一旦两个质子足够接近时将引发核聚变，原子核的改变会伴随强大能量的释放。

三、质子与中子都由更小的基本粒子夸克结合而成，夸克由胶子传递的强力结合在一起；同样，原子核内部核子之间则是由一对正反夸克组成的介子传递的强力“粘合”在一起。

四、原子并不是虚空，组成原子的几乎所有的基本粒子都已经被证明了具有体积和质量，原子是质量与能量的结合体。最近的科学检测结果表明，此前一直被定义为“质量严格为0”的光子也具有质量，光子的静止质量小于1.2×10^(-51)g。这证明构成宏观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”或能量构成的虚幻世界。

五、科学需要推理与想象，科学同时需要现实可验证，单凭计算、推理与想象并不能被称为科学。到目前为止，所有的“弦理论”、“十维时空”、“膜结构”、“多重宇宙”以及“宇宙由能量构成”等等都仅是数学上的推理，没有任何一项实验或观察可以证明它们真实存在。

有人称“弦理论”可以解释一切，遗憾的是它从来没有得到过证明

因此，无论从经典物理学还是量子物理、无论对微观粒子的研究还是对宏观世界观察，都证明我们生活的这个宇宙都是物质的、四维的和真实的。

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