原子是什么樣子的？

這似乎是個(gè)很傻的問(wèn)題，因?yàn)橹灰惶岬皆樱S多人就會(huì)知道原子是由原子核與核外電子組成，電子圍繞著原子核高速旋轉(zhuǎn)，就像下面這張圖一樣。

傳統(tǒng)的原子圖像

(資料圖片僅供參考)

也有的朋友說(shuō)這樣畫(huà)原子是不對(duì)的，原子核外圍的電子有不同的軌道，它是一層一層分級(jí)的，比如說(shuō)鐳原子應(yīng)該畫(huà)成下面的樣子。

鐳原子的電子軌道圖

這樣畫(huà)對(duì)嗎？

你不能說(shuō)它不對(duì)，因?yàn)樵谖覀兊某ＷR(shí)里，原子它就是這個(gè)樣子，并且全世界的中學(xué)教科書(shū)里全都是這樣教的，它表示了原子的構(gòu)成原理。

然而實(shí)際上，不僅原子本身極小，在一個(gè)原子里，原子核與電子更是小到看不見(jiàn)。我經(jīng)常拿體育場(chǎng)來(lái)打比方：當(dāng)我們將一個(gè)氫原子放大到一個(gè)大型體育場(chǎng)那么大時(shí)，原子核不過(guò)是場(chǎng)中央的一顆綠豆，而電子呢？它可能只是最邊緣看臺(tái)座椅上的一粒微塵。

原子內(nèi)部很“空”

看起來(lái)原子很“空”，對(duì)吧？

那么問(wèn)題來(lái)了，在原子核與電子之間的“巨大”空間里到底有什么東西呢？它到底是所謂的“真空”，還是填充了某些神秘的東西？要想搞清楚這些問(wèn)題，我們還得從原子本身說(shuō)起。

原子的結(jié)構(gòu)

原子是構(gòu)成世間萬(wàn)物的基本粒子，它非常小，尺寸大約僅是1納米的十分之一，也就是大約一百萬(wàn)分之一毫米。由于它的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)，因此我們不能使用任何一臺(tái)光學(xué)顯微鏡觀察到它。直到掃描隧道電子顯微鏡出現(xiàn)后，人們才得以間接“觀察”到單個(gè)原子表面的情況。

掃描隧道電子顯微鏡觀察到的硅表面原子

我們可以看到原子中間的原子核嗎？并不能。

即使原子核與核外電子之間“相距遙遠(yuǎn)”，即使光子比電子更小（光子沒(méi)有體積），但光子依然無(wú)法穿過(guò)電子所形成的屏障。因?yàn)楣庾涌偸潜憩F(xiàn)為電磁波，它要么被電子吸收，要么被電子形成的電磁場(chǎng)屏蔽，因此大多數(shù)光子無(wú)法順利穿過(guò)原子。

中子與中微子可以穿過(guò)原子（極小概率撞入原子核），它們是中性電荷的亞原子粒子，所以不會(huì)與原子內(nèi)部的電磁場(chǎng)發(fā)生相互作用。

在原子核的表面有非常強(qiáng)大的磁場(chǎng)，比如說(shuō)元素鉍的原子核表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度甚至與中子星表面相當(dāng)，只是它的尺度極小，這個(gè)磁場(chǎng)僅對(duì)圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)的電子起作用。

原子的結(jié)構(gòu)圖

電子是什么樣子的？

沒(méi)有人知道電子實(shí)際是什么形狀，我們看不到電子。傳統(tǒng)物理理論認(rèn)為，電子是一個(gè)極微小的小球體，它很輕，質(zhì)量?jī)H為9.11×10?31kg，它在原子這樣的極小尺度里以接近光速運(yùn)行。

但是在原子這么小的尺度下，經(jīng)典物理理論無(wú)法解釋許多奇怪的現(xiàn)象，我們需要利用量子力學(xué)。

量子物理認(rèn)為，電子不是一個(gè)球，而是一團(tuán)云。一個(gè)電子在它的軌道上可以出現(xiàn)在這里又同時(shí)出現(xiàn)在那里。盡管這很難讓人理解，但它就是量子力學(xué)對(duì)電子云的解釋：原子核中的質(zhì)子通過(guò)其強(qiáng)大的電磁力制造了一個(gè)靜電場(chǎng)勢(shì)阱，電子被束縛在這個(gè)勢(shì)阱中，電子云就是其中的一個(gè)區(qū)域；由于電子具有波粒二相性，它便成為這個(gè)區(qū)域中不斷變化的三維駐波，電子的軌道就是空間中擴(kuò)展的量化波函數(shù)。

不同的電子軌道

由于圍繞在原子核周?chē)鷖軌道中電子的波函數(shù)實(shí)際上一直會(huì)向下延伸到原子核表面，這意味著電子在某些時(shí)刻會(huì)“進(jìn)入”原子核。從這個(gè)意義上講，電子與原子核之間的空間并不是真正的“空”，而是充滿著電子。

與此同時(shí)，電子和原子核的質(zhì)子或中子之間存在不斷的相互作用，這包括電磁作用和弱力作用。在量子場(chǎng)理論中，電子會(huì)與質(zhì)子在電磁作用下不斷地交換光子、與中子在弱力情況下不斷交換波色子。因此我們也可以說(shuō)，電子與原子核之間的空間被這些力“填滿”了。

電子云填滿了原子核周?chē)目臻g

現(xiàn)在，讓我們回到本文最初關(guān)心的問(wèn)題：

原子核的周?chē)降子惺裁矗?

有電子。

在經(jīng)典物理學(xué)看來(lái)，電子是粒子，它圍繞在原子核周?chē)\(yùn)行；電子的運(yùn)動(dòng)形成了電磁場(chǎng)，這種電磁場(chǎng)會(huì)排斥其它原子表面的電磁場(chǎng)，從而使原子之間保持距離。我們可以說(shuō)在原子核與電子之間是真正的“空白”。

而在量子物理看來(lái)，電子是量子粒子同時(shí)也是波，它沒(méi)有特定的位置，所有的存在都是粒子在任何給定時(shí)間位置概率的集合，它分布在原子核的周?chē)纬伞霸啤保猎雍吮旧恚h(yuǎn)至銀河系的另一端。電子云是一層“堅(jiān)固的”概率云，它包裹著原子核，所以原子核周?chē)鷽](méi)有“空白”。

原子

除了電子之外呢？

除電子之外都是過(guò)客。無(wú)論是γ射線光子、部分X射線光子、中微子還是極少數(shù)自由中子，它們都只是一閃而過(guò)，不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間呆在原子內(nèi)部的空間里。