原子内部99%以上都是空的，为什么绝大多数物体都不透明？

原子的内部空间，似乎空旷无物，然而若从波动或能量的角度观察，则并非空无一物。同样地，透明度也是一个相对的概念，取决于物质对特定频率电磁波的透过能力。

如何理解原子的空旷？

第一个对原子内部的空旷感到惊奇的科学家叫做卢瑟福。1911年，他进行了一项名为“α粒子散射实验”的科研活动，即将α射线投射到一片薄薄的黄金箔片上。他注意到，尽管大多数α粒子顺利地穿过了金箔，仍有少数α粒子遭遇了强烈的散射，大约有1/8000的α粒子散射角度超过了90°，其中一些甚至达到了150°的大角度散射。

通过这一实验，卢瑟福揭示了原子内部的空旷以及其核心的存在。根据大角度散射的数据，他推算出原子核的直径上限为10的负14次方米，并由此提出了我们在小学课本中所见到的行星模型。

卢瑟福继续着他的实验，对原子核进行轰击，8年后，他在轰击氮原子核的过程中，偶然间击发出一种更微小的粒子，并测定了其所带的电荷与质量，这便是质子。

这便是我们目前对原子的基本认识，但原子内部究竟有多空旷？

以氢原子为例，如果把原子核放大至1米，那么原子核与电子之间的距离则相当于100公里。确实，这是一个巨大的空间。如果两个原子互相碰撞，我们完全可以认为它们会直接穿越对方。但现实情况显然并非如此。

原子内部虽然空旷，但物质为何会显得如此坚实？

若用经典物理学来解答这个问题，似乎是无解的。但幸运的是，量子力学为我们提供了一个合理的解释。

首先回答这一问题的是玻尔，他是卢瑟福的弟子，继承和发展了卢瑟福的原子模型，并提出了“能级”概念，认为电子在不同的能级轨道间进行不连续的跃迁，即电子只能在特定的轨道上运动，这增加了两个原子核外电子碰撞的可能性，但依然不够充分。

接下来，海森堡进一步推进了这个问题的研究。海森堡在攻读博士学位时研究的是湍流问题，他面对复杂混乱的湍流现象，凭借一种物理直觉，选择忽略过程，直接得出结论，后来他的方法被数学家证明为正确。

海森堡提出，电子不仅存在于特定的能级，还会同时出现在该能级上的每一个位置，这就是“不确定原理”，这也构成了我们今天所说的“电子云”概念。然而，这样的“电子云”似乎不足以使物质显得坚实。

此时，天才泡利登场了。他21岁时便领悟了当时鲜有人能理解的相对论，并且喜欢与女性共舞。他在舞池中观察到量子力学的“不相容原理”：如同舞池中的男女，电子在与氢原子核“跳舞”时，不允许其他电子介入，每个氢原子核只能与一个电子配对。因此，在一片“电子云”中，只能有一个电子存在，不容许第二个电子的存在。这样，原本松软的“电子云”变得坚硬，两个原子因此必须保持一定的距离，我们也就不必担心水杯会突然从桌面消失。

换言之，电子的能级定义了其岗位，不确定性原理令电子无处不在，而不相容性让电子变得坚固，三者结合，形成了我们能够触感的物质实在性。

如何从微观视角理解透明性？

之前提到，电子在特定的能级上移动，不同的原子和电子层有着不同的能级。不同的能级代表着不同的能量。当照射物质的光的能量与能级匹配时，电子会吸收光，这样的物质便显得不透明；反之，若光的能量与能级不匹配，光便会穿透原子，这样的物质便是透明的。

至于什么情况下算是“匹配”，什么情况下算是“不匹配”，这要由量子力学来决定，在此不作详细说明。

光的能量由其频率决定，频率越高，能量越大；频率越低，能量越小。我们日常所说的“透明”通常仅指可见光频率范围。例如，我们说玻璃是透明的，实际上它只是对可见光（波长在400～760nm之间）透明，对红外线则不透明。人体看似不透明，但对短波的X光却是透明的。所以，透明性本质上是一个相对概念。

大多数金属是不透明的，并且呈现出所谓的金属光泽。这是因为金属原子除了自身的结构电子外，还拥有大量可在原子间自由移动的电子，这也是它们导电的原因。这些自由电子就像一片电子海洋，可以有效地反射光线。

总之，物体的透明与否，是电子与光线相互作用的结果，受到量子力学的制约，与原子的空旷程度无关。光与所有物质的相互作用，要么是反射，要么是吸收，要么是穿透，各自占据一定的比例。

可以说，是量子力学赋予了宏观物质的实在性，给我们带来了五彩斑斓的世界。

深入探索微观世界，你会发现如果没有量子的不确定性，宏观世界的确定性将难以存在。

一个看似粒子状的电子，在一片电子云中随时都可能出现在任何位置，这一点可能难以理解。但如果把这个电子想象成一种波，可能就容易理解了。这也是我们常说的“波粒二象性”。尽管这也许不是物质的最终真相，但目前我们只能通过这种方式来描述它。