近日讀到一篇分析原子内部結構文章，它從原子中巨大的空間說起，談到質子、中子，又談到誇克和玻色子，最後談到弦，得出的結論是原子中本來空空如也，并且咱們整個世界都是由一維的“弦”及能量構成，給人一種世界虛無的玄幻印象。

今天我們也來解剖原子，看看世界到底是物質的呢，還是虛幻的？

（溫馨提醒：本文約3400字，讀完大約需要5分鐘時間。你可以選擇看大标題、粗體要點和文末結論部分來了解。）

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内部的空間：

如果将原子比作體育場，原子核與電子的位置

當我們将一個原子放大到體育場的大小，電子會處在看台的位置，這時候原子核在哪裡？圖片中黃色箭頭指向草坪，原子核有草坪那麼大嗎？并不是，原子核太小了，在體育場裡它隻有綠豆那麼大，所以我們沒辦法在圖中把它标出來。我們能在看台上找到電子嗎？很難，電子比座椅上的灰塵還小！

由此可見，原子内部真的很空。

實際上，構成世間萬物的原子的直徑大約在10⁻¹⁰m的數量級，比如說我們最常見的碳原子直徑為182pm（皮米，1皮米相當于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。

原子的質量主要集中在它的原子核，準确地說是集中在其質子和中子。所以我們通常将原子畫成這個樣子以突出原子核：

通常所見的原子模型

在日常所見的原子模型中，原子核是顆大大的球，它很突出地居于原子中間，電子圍繞在它的周圍運轉，就像行星繞着太陽運行一樣。

類似的圖都是錯誤的。如果你在任何一張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。

原子核與電子之間看似有巨大的空間，這空間裡有什麼？

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。

氘原子結構

帶正電的原子核周圍存在強大的電場，電子也有自己的電場，帶負電荷的電子圍繞原子核運動，原子核與電子之間主要是靜電力的相互作用。

電子很輕，質量僅為9.11×10⁻³¹kg，它在原子這樣的極小尺度裡以接近光速運行，所以從外部看，電子是随機出現在原子外圍，它并不會像行星圍繞恒星那樣以圓周軌道或橢圓軌道運動，它的軌迹更像是一團雲霧，因此被稱為電子雲。

氫原子的電子雲像一團濃霧，它表示電子會随機出現在各個位置

我們并不實際了解電子的運動軌迹，但科學家通過實驗證明了圍繞原子核運行的電子有它們各自的軌道，并且這些軌道呈現一定的規律性。

不要以為原子核與電子軌道之間很空，你就可以随便進入，事實上當電子占滿了它們的軌道之後，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”）是謝絕其它物質入内的。

這就是為什麼原子看起來很空，但它又十分堅硬的原因。緻密的原子核擁有強大的電場，它吸引電子在其周圍建立起一層無形的硬殼，除非把它投入到恒星中央或核聚變反應堆中，否則我們無法穿透原子的殼層。

原子核以千億分之一的體積占據了原子99.96%的質量，它是緻密的，原子核的密度大約為10¹⁷kg/m³。如果你在1立方厘米小手指尖大小的空間裡裝滿原子核，它的重量将達到1億噸！

除氕外，其它元素的原子核都由質子和中子組成。

原子核構成示意圖

原子核中質子的數量被稱為原子序數，它決定原子是什麼；中子是原子核的“穩定劑”。當原子序數小于20時，原子核裡質子與中子的數量基本相等，無論中子多了或少了，原子核都不穩定，它有放射性，會通過衰變和釋放能量來使自己達到穩定的狀态。但是當原子核裡的質子數量大于20個時，它就需要更多的中子來幫助穩定。

原子核裡并不空，質子之間以及質子與中子之間被強力緊緊地拉在一起。質子的靜止質量是1.6726231(10)×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)×10⁻²⁷kg，約是電子質量的1838倍。我們不能單純把質子與中子的質量簡單相加來得到原子核的質量，事實上原子核的質量要小一些，這是因為一部分的質量被轉化為核子之間的結合能量了。

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相同會相互排斥，為什麼在原子核裡它們可以緊密地“粘”在一起？

這是因為核力在起作用。

兩個質子之間，或者說兩個原子核之間因為具有相同的電荷而互相排斥，這個排斥的力是靜電力。靜電力很強大，它使質子擁有自己的勢力範圍，我們稱之為庫侖勢壘。如果想把兩個質子捏合在一起，就需要非常大的力來克服這個庫侖勢壘。

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，核力就起作用了，它會迅速将質子拉到一起，同時向外釋放巨大的能量，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，可以确保原子核保持穩定，不會散開。

将兩個質子壓在一起會發生核聚變

量子理論認為原子核内部的結合力是核力，核力是一種強相互作用力，它是由介子提供的，介子是一種誇克組合。

科學家們通過強大的粒子對撞機撞擊微觀粒子後證實，質子與中子還是可以再分割的，它們由一種叫“誇克”的微觀粒子組成。

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

通常兩個上誇克與一個下誇克結合成一個質子，而一個上誇克與兩個下誇克組合會産生一個中子，質子與中子又稱為重子。質子與中子的電性質是由誇克的電性質決定的，從誇克的角度看，中子并不是不帶電，它隻是對外顯示電中性。

兩個上誇克與一個下誇克組成了質子

誇克之間并不相互吸引，将誇克拉在一起結合成質子或中子的是另一種基本粒子“膠子”，膠子沒有質量，但它負責在誇克之間傳遞強力，從而将誇克拉在一起。量子物理學認為誇克不能單獨存在（誇克禁閉），所以膠子盡管跟光子一樣沒有質量，它也無法達到光速，因為它必須與誇克共存。

而通過強力将質子、中子拉在一起形成原子核的介子，它是由一對正反誇克組成的。

沒有實驗可以證明誇克還可以分成更小的粒子，但科學家們認為誇克應該是分層的，這決定了誇克擁有不同的“味”、不同的“色”以及不同的質量。或許未來的某一天我們可以确定誇克可以被分得更小，這不僅需要理論支持，還需要科學實驗的結果來加以證實。

到目前為止科學家們證實能找到的基本粒子包括：

6種誇克：上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、頂（t）和底（b）誇克；

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；

四種規範波色子：光子、膠子、w和z玻色子

和被稱作“上帝粒子”的希格斯玻色子。

已經确認的基本粒子圖表

一、我們了解了原子内部的結構，原子核與核外電子都是有質量的實體粒子，盡管很“空”，但強大的靜電場決定了原子内部巨大的空間是“不可侵犯”的。

二、原子核内的強相互作用力會将質子與中子拉在一起，要做到這一點并不容易，你需要付出極大能量去克服靜電力造成的庫侖勢壘；而一旦兩個質子足夠接近時将引發核聚變，原子核的改變會伴随強大能量的釋放。

三、質子與中子都由更小的基本粒子誇克結合而成，誇克由膠子傳遞的強力結合在一起；同樣，原子核内部核子之間則是由一對正反誇克組成的介子傳遞的強力“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被證明了具有體積和質量，原子是質量與能量的結合體。最近的科學檢測結果表明，此前一直被定義為“質量嚴格為0”的光子也具有質量，光子的靜止質量小于1.2×10^(-51)g。這證明構成宏觀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”或能量構成的虛幻世界。

五、科學需要推理與想象，科學同時需要現實可驗證，單憑計算、推理與想象并不能被稱為科學。到目前為止，所有的“弦理論”、“十維時空”、“膜結構”、“多重宇宙”以及“宇宙由能量構成”等等都僅是數學上的推理，沒有任何一項實驗或觀察可以證明它們真實存在。

有人稱“弦理論”可以解釋一切，遺憾的是它從來沒有得到過證明

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!