揭开原子结构之谜（原子内部几乎都是空的）

不少人了解了一些科学常识，就认为原子有99.99%是空的，既然如此，就感到奇怪：由原子组成的物质为什么又很多不透明，且很坚硬呢？这是一种似是而非的错误认识，我们今天就来把这个问题闹明白。

所谓原子有99.99%为“空”，是有人用原子核与原子相比，是很小很小的中间一个核心。这种小我们可以用一个例子直观比喻：如果这个原子核有鸟巢体育馆这么大，那么原子外壳就有地球大。但如果把这个鸟巢与地球比例之间当作是“空”，就大错特错了。

物质透明不透明，是原子分子的排列方式不一样，或不同原子对光子吸收程度不一样决定的，而不是原子空不空问题。玻璃看起来就透明的，但并没有“空”，玻璃比许多物质都硬呢。原子99.99%为空的概念本身就是错误的，是把原子体积与原子核体积之比当作了“空的”，把一般的生活常识拿到了物质的微观世界来类比。

有人常把一个原子想象成一个大空盒子，原子核就是空盒子中间的1只蚂蚁，而盒子围绕着蚂蚁整个空间都是空的，所以质疑：这个盒子既是空的为什么不透明呢？为什么还能够感觉到物体呢？即便这种比喻，难道你忘了，外面还有一层盒子？这层盒子难道就不可以阻隔你的视线和触感？

作为原子的外壳，就是电子，电子就像盒子一样，把原子核和所谓的“空间”包裹着，让物质都成为有形的实体。

原子由原子核和核外电子组成，一般把原子的数量级定为约10^-10m（米），也就是0.0000000001m；原子核的数量级约10^-14~10^-15m，也就是0.00000000000001~0.000000000000001m。原子核比原子直径要小10000~100000倍。因此，原子核的确很小，只是一个原子体积的万亿分之一，甚至千万亿分之一，而原子核的质量占有了整个原子的99.96%以上。

原子核质量为啥这么大呢？原来组成原子核的两种亚原子粒子都很重，这两种物质就是质子和中子。质子质量为1.6726x10^27kg，是电子质量的1836倍；中子质量为1.6929x10^-27kg，是电子质量的1858倍。因此质子和中子又叫重子，电子叫轻子，质量约9.10956x10^-31kg。

质子和中子都不是最基本粒子，而是各由3个夸克组成（上图）。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，带一个单位正电荷；中子则由一个上夸克和两个下夸克组成，两种夸克的电荷相互抵消。但中子电性只是相互抵消不显电性，并不能由此认为中子不带电。

原子的主要性质和质量决定于原子核的核子数，同一类元素的质子数相同，但中子数可以不一样，这一类元素就叫同位素。如氢的同位素氕、氘、氚都只有1个质子，因此都只带1个核外电子，但氕没有中子，氘有1个中子，氚则有两个中子，因此它们质量是不一样的，后两者分别叫重氢、超重氢。

原子核中有几个质子，就相应有的几个核外电子，原子就是由原子核和核外电子组成。每个电子带有一个单位负电，与质子正电抵消，因此原子呈现出电中性。

在核子外围，围绕着不停运动的电子，这就是原子的外壳。关于原子核外电子是一个什么运动状态，迄今也还没有完全弄清楚。科学家们几百年来对原子的认识是不断深化的。就拿原子模型来说，经历了带电实心球模型、枣糕模型、行星模型、波尔模型、电子云模型等变化。

实心球模型就是把原子看成处于静电平衡的实心球体，由英国物理学家、发明家开尔文提出；枣糕模型又叫葡萄干布丁模型（上图左），认为电子分布在球体中很有点像葡萄干点缀在一块蛋糕里，是英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊提出；行星模型就是把原子运动比喻为太阳系，中间原子核就像太阳，而电子就像行星围绕着太阳旋转，提出这种理论的主要有英国物理学家欧内斯特·卢瑟福。

量子力学更深入地对亚原子微观粒子进行了探究，波尔模型是量子力学创立人之一波尔提出的。他在量子学基础上提出电子在核外的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题，成为科学界更具有说服力的原子模型。后来量子力学的另一位大师海森堡提出了不确定性原理，形成了原子电子云结构（上图右），成为现代原子结构认识的主流。

电子就是原子的外壳，而现代理论认为，电子并不像过去认为的那样，只是分层围绕着原子核旋转，而是具有位置和动能的不确定性，它可以随机地出现在围绕着原子核的任意一点，这就是所谓的电子云模型。

根据泡利不相容原理，任何粒子（费米子）都具有简并压，就是不愿意靠在一起的特性，只有极大压力才能够与之相对抗。因此原子与原子之间、电子与电子之间都是具有排斥力的。而我们世间一切物质，包括人类都是由原子组成的，这样物质与物质之间就是有区别和界限的，各种物质就不可能是空的。

但原子又确是比较松散结构，在我们地球世界，这种松散结构形成了各种物质。但在极端条件下，原子会被压垮、压实，就形成了极端特殊的物质结构。比如在白矮星、中子星上，原子在巨大引力压力下已经无法保持原来的“矜持”状态，被压扁甚至被压碎了。但电子或中子还是遵循泡利不相容原则，竭力用相互排斥的压力抵御巨大的引力压力，保留着天体有形的形态。

白矮星物质称为电子简并态，密度每立方厘米可达10吨；中子星物质则称为中子简并态，密度每立方厘米可达惊人的10~20亿吨。这是另一个话题，在此不展开来说，就此打住。欢迎讨论，感谢阅读。