深度长文：原子内部真的一片虚空吗？（超3000字，建议收藏）

物理课上我们都学过原子结构，原子是由原子核和电子组成的。多数人都知道原子核和电子只占了原子很小一部分，但至于有多小，并没有一个具体的概念。

现在我们就来打个比方。如果原子有一个体育场那么大，原子核和电子有多大呢？

原子核就相当于一粒豆子那么大，放在草坪上很难发现。而电子就更小了，甚至比看台座椅上的一粒灰尘还要小！

如此看来，原子内部确实很空。但虽然原子核很小，它却占据了原子绝大部分质量，原子的几乎所有质量都集中在原子核上，也就是质子和中子上。

那么原子核和电子之间的关系是什么呢？

一些描述原子结构的示意图会给出这样的关系，原子核位于原子中间，电子在外围，围绕原子核运行，就像地球围绕太阳旋转那样。

其实这种示意图是非常不严谨的，虽然能更直观地让我们感受原子内部结构，但确实误导了很多人。而如果按照真实比例在一张纸上画原子结构，原子核由于太小，几乎画不出来，电子就更不用说了。

从体积上来讲，原子核体积只有原子体积的千亿分之一，电子的体积几乎可忽略不计。这就意味着原子核外围99.99%以上的空间都是空的。让人无法想到的是，体积如此小的原子核竟然占了原子质量的99.96%。

不过，虽然原子核外面看起来是空的，但并不是绝对的虚空，那里到底有什么呢？

除了最简单的氢元素之外，其他元素的原子核都是由质子和中子组成的，中子是中性的，不带电，而质子带正电，所以原子核整体来看也是带正电的。

于是带正电的原子核周围就会有强大的电场，同时电子带负电也会产生电场，电子在原子核周围运行时，两者之间就会依靠静电力相互作用。

电子体积非常小，质量也很小，只有大约10的负30次方千克，质量如此小以至于电子会以非常接近光速的速度运动。再加上电子是随机出现在原子核外围的，并不是沿着某个固定轨道运行的，所以电子的运动轨迹看上去就像一团云雾，也就是我们通常所说的“电子云”。

这里强调一下，不要以为原子核和电子之间很空，然后你就可以随便出入。上面说了，电子会以“电子云”的形式呈现出来，加上电子速度非常快，几乎可以瞬间出现在原子核外围每一个地方，意味着电子会在原子核外围会构建其无形的“外壳”，除了中子和无所不在的中微子之外，其他物质是进不去的。而这个外壳用专业术语描述就是“能层”。

这也是为什么原子内部看起来很空，表现出来很坚硬的主要原因。原子核能产生强大的电场，而电子在原子核外围构建起无形的“外壳”，所以一般情况下，是无法突破这层外壳的，除非遇到极端的环境条件，比如说恒星的核心环境或者说核聚变反应堆。

了解了原子内部的构造，再来看看原子核内部。原子核是由质子和中子构成的，质子和中子是通过强相互作用力紧紧地被束缚在一起。质子和中子的质量差不多，都相当于电子质量的1838倍左右。

但事实上原子核的质量并不等于质子质量加上中子质量，真实的情况下，前者的质量更小一些，也就是说原子核质量小于质子与中子质量的总和，这是为什么呢？

这是因为强相互作用把质子和中子紧紧束缚在一起，会产生很强的结合能，也是一种能量，根据爱因斯坦的质能方程，能量也会体现出质量。核聚变过程会生成更重的原子核，同时释放能量，相当于质量亏损了，所以原子核的质量比质子和中子质量总和会更小一些。

关于原子的核力。

相信不少人有这样的疑问，在原子核内部，质子带正电，两个质子之间会因为相同的电荷互相排斥，为什么质子之间还能紧紧“抱”在一起呢？

简单讲，这就是强核力的作用，也就是强相互作用。

确实，质子都带正电，肯定会因此而相互排斥，产生的排斥力就是静电力。静电力是很强大的，会使得质子有一定的势力范围，物理学术语就是“库仑势垒”。由于这个势垒的存在，所以如果想让两个质子结合在一起，就需要非常强大的力量才能做到，这个力量必须足以对抗库仑势垒。

不过，当两个质子不断靠近，到了一定程度，距离达到2.5飞米时，核力就开始起作用了，会将两个质子迅速拉到一起，同时向四周释放出超强能量，这就是核聚变的过程，释放的能量来自强相互作用发生的变化，。

核力是很强的，因此也被称为强核力。自然界中存在四种基本作用力，分别是强核力，电磁力，弱核力，还有引力。如果强核力的大小为1的话，那么电磁力只有137分之一，引力更小了只有10的负39次方。而静电力其实就是电磁力，这意味着强核力比静电力要强大137倍，所以强核力能轻松突破库仑势垒，让两个质子紧紧粘结在一起，确保原子核的稳定。

按照量子力学的诠释，强核力是一种强相互作用，是通过胶子来传递的，胶子与光子一样，都没有静质量，只能以光速飞行。

下面一起了解一下质子和中子的结构。

以前人们质子和中子都是不可再分的基本粒子，不过随着人类科技水平不断提高，在大型粒子对撞机中进行的碰撞实验，科学家们发现，质子和中子并不是基本粒子，两者都是可以再分的。

质子和中子都是由更基本的夸克组成，都由三个夸克组成，不同的是，质子由两个上夸克和一个下夸克组成，而中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。

由于“夸克禁闭”的存在，夸克并不能单独存在，所以我们并不能直接观测到夸克。何为夸克禁闭？简单理解就是，由于强相互作用的存在，带色荷的夸克被限制和其他夸克在一起，使得总色荷为零。

夸克有六种“味”，分别是上、下、粲、奇、底及顶。上夸克下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过粒子衰变的过程，来迅速变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。就是因为这个原因，上夸克及下夸克一般来说很稳定，所以它们在宇宙中很常见，而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生。

注意，夸克的“味”当然不是我们平时吃饭感受到的味道，味并不是指我们平常所说的味道气味，是为了区分不同种的夸克而引进的，简单来讲就是一个名称。

不同的夸克之间并不会相互吸引，那么它们到底是如何粘结在一起的呢？还是通过强核力，也就是强相互作用力。胶子这种基本粒子可以传播强核力，将夸克牢牢地束缚在一起。

到这里，新的问题出现了，如今科学界认定夸克与电子光子一样，都是基本粒子，基本粒子都是不能再分的，那么夸克真的不可以再分吗？

起码目前并没有实验证明夸克还能分成更小的基本粒子。不过物理学家们认为夸克应该是分层的，这种分层决定了夸克不同的“味道”，不同的“色”还有不同的质量。

或许随着人类科技不断提升，未来某天人类会发现夸克电子等基本粒子也是可以再分的，但起码目前还远远做不到这点，科学是很严谨的学科，我们可以去设想，可以提出自己的理论，但更需要实验来验证。

按照标准粒子模型，目前科学家发现的基本粒子总体可以分为两大类，分别是费米子和规范玻色子，两者有什么区别呢？

费米子说白了就是基本粒子，把一个物体无限分割下去，最终剩下的不能再分的就是费米子。而规范玻色子是把费米子粘结起来的基本粒子，比如说光子和胶子都是规范玻色子。

打个比方，费米子就像是砖头，而规范玻色子就像是水泥把砖头粘结起来组建成一栋楼房。而规范玻色子把各式各样的费米子粘结起来形成各式各样的宏观物体。

具体来讲，基本粒子可以分为四大类，分别是：6种夸克，6种轻子，四种规范玻色子，还有一个非常重要的基本粒子，希格斯玻色子，也被称为“上帝粒子”，正是它赋予了基本粒子以质量。

我们每天看到的丰富多彩的世界，看起来也非常简单，都是由最基本的几种粒子构成的。

来个总结

原子内部看起来很空，其实一点也不空，甚至比我们每天看到的宏观世界还要实在，原子内部强大的静电场和无所不在的电子云构建起坚固的“钢铁长城”，看起来“不可侵犯”，外部物质很难进入。

而原子核内部的质子和中子是通过强相互作用粘结在一起的，强相互作用力非常强大，足以克服静电力带来的库仑势垒。

质子和中子都是由三个夸克组成的，夸克之间也是通过强相互作用，也就是强核力结合在一起的。夸克是不可再分的基本粒子。

总之就是，原子内部并不是虚空，除了有基本的粒子之外，基本粒子之间还有非常强大的电磁力，强相互作用力，而这些力也是能量的一种表现。通俗理解就是，原子其实是质量与能量的结合体。原子内部有我们看得见的质子和中子存在，还有看不见的能量。

最后提一下弦理论，该理论认为所有的基本粒子都是由更小的弦组成的，弦有封闭的也有开放的，同时弦还会振动，振动形式的不同就会形成不同的基本粒子。

不过弦理论太深奥了，还牵扯到复杂的数学计算。弦理论很难通过实验来验证，所以作为一个前沿理论，弦理论还没有被主流科学认可，毕竟无法验证的理论确实算不上一个好理论。