原子里面有什么？

原子内部是怎样的？

如果把一个原子放大到如同体育场那般大小，电子如同处于看台的位置。那么此时原子核在哪里呢？

图片中黄色箭头指向草坪，可原子核并非有草坪那般大。实际上，原子核极其微小，在偌大的体育场里，它仅有绿豆般大小，以至于在图中都难以将其清晰标注出来。那我们能在看台上找到电子吗？答案是否定的，因为电子比座椅上的灰尘还要小得多。由此，我们可以直观地感受到，原子内部的空间实际上非常空旷。

现实中，构成世间万物的原子，其直径大致处于 10⁻¹⁰m 的数量级。以我们日常生活中最为常见的碳原子为例，它的直径为 182pm（皮米，1 皮米等于 1 米的一万亿分之一），也就是 1.82×10⁻¹⁰m，而一个 C - 12 原子的质量仅仅为 1.993×10⁻²⁶kg。

原子的质量主要集中在原子核部分，确切地说，是集中在质子和中子上。

这也就是为什么我们通常在绘制原子模型时，会着重突出原子核，将其描绘成一个居于原子中心的大球，电子则围绕着它运转，就像行星绕着太阳公转一样。

然而，这种常见的原子模型其实是不准确的。

倘若在一张 A4 纸上尝试绘制原子，原子核几乎小到难以察觉，而电子更是踪迹难觅。原子核的体积仅占原子总体积的千亿分之一，这意味着原子内部除了原子核外，超过 99.99% 的空间都是空的。但令人惊讶的是，就是这极其微小的原子核，却集中了原子 99.96% 的质量。

所以，原子虽然微小且内部空旷，但它绝不是虚无的存在。

原子核与电子之间看似存在着广阔的空间，那这片空间里究竟有什么呢？

原子核中至少含有一个质子，除了氢的同位素氕之外，其他元素的原子核中还包含中子。中子呈电中性，质子则带正电荷，因此原子核整体显正电性。

带正电的原子核周围存在着强大的电场，电子也有自身的电场，带负电荷的电子围绕原子核运动，二者之间主要通过静电力相互作用。电子的质量非常轻，仅为 9.11×10⁻³¹kg，在原子这样极小的尺度范围内，它以接近光速的速度运行。

从外部观测，电子在原子外围的出现具有随机性，它并不像行星围绕恒星那样遵循圆周或椭圆轨道运动，其轨迹更像是一团弥漫的云雾，所以被形象地称为电子云。尽管我们并不确切知晓电子的具体运动轨迹，但科学家通过实验证实，围绕原子核运行的电子具有各自特定的轨道，并且这些轨道呈现出一定的规律性。

不要因为原子核与电子轨道之间看似空旷，就认为可以随意进入。

实际上，当电子占据满它们的轨道后，会在原子的外围构建起一层或多层无形的 “壳”，这一壳层（也被称为 “能层”），除了不带电的中子和中微子外，拒绝其他物质进入。

这就是为什么原子看似内部空间很大，但实际上却十分坚硬的原因。致密的原子核凭借强大的电场，吸引电子在其周围形成一层无形的硬壳，除非将原子置于恒星内部或核聚变反应堆中，否则我们根本无法穿透这层原子壳层。

原子核以千亿分之一的微小体积，集中了原子 99.96% 的质量，其密度约为 10¹⁷kg/m³。想象一下，如果把 1 立方厘米（大约小手指尖大小）的空间全部填满原子核，其重量将高达 1 亿吨！除了氕之外，其他元素的原子核均由质子和中子组成。

原子核中质子的数量被称为原子序数，它决定了原子的种类；中子则像是原子核的 “稳定剂”。当原子序数小于 20 时，原子核内质子与中子的数量大致相等，一旦中子数量过多或过少，原子核就会变得不稳定，具有放射性，会通过衰变和释放能量来使自身达到稳定状态。而当原子核内的质子数量超过 20 个时，就需要更多的中子来维持稳定。

原子核内部并非空空如也，质子之间以及质子与中子之间被一种强大的力紧紧地束缚在一起。

质子的静止质量为 1.6726231 (10)×10⁻²⁷kg，约为电子质量的 1836 倍；中子的静止质量是 1.6749286 (10)×10⁻²⁷kg，大约是电子质量的 1838 倍，二者大小相近。

需要注意的是，我们不能简单地将质子与中子的质量直接相加来得出原子核的质量，实际上原子核的质量会略小一些，这是因为有一部分质量转化为了核子之间的结合能量。

前面提到，质子带有正电荷，拥有电场，所以两个质子之间会因为电荷相同而相互排斥。那么，在原子核中，它们为何能够紧密地 “粘” 在一起呢？

这得益于核力的作用。两个质子之间，或者说两个原子核之间，由于电荷相同而产生的排斥力被称为静电力。

静电力十分强大，它使得质子拥有自己的势力范围，也就是我们所说的库仑势垒。如果想要将两个质子合并在一起，就必须施加巨大的力来克服这个库仑势垒。

然而，当两个质子之间的距离接近到 2.5fm（飞米，1 飞米等于一千分之一皮米）时，核力便开始发挥作用，它会迅速将质子拉拢到一起，同时向外释放出巨大的能量，这一聚变能量正是由质子的质量转化而来。

核力属于强力，其强度比静电力强 137 倍，正是这种强大的力量确保了原子核的稳定性，使其不会轻易散开。根据量子理论，原子核内部的结合力 —— 核力，是一种强相互作用力，它由介子提供，而介子是一种夸克组合。

科学家们借助强大的粒子对撞机对微观粒子进行撞击实验后发现，质子与中子并非不可再分，它们是由一种名为 “夸克” 的微观粒子组成。

和电子一样，夸克属于更小的基本粒子，并且夸克也具有质量。

目前，科学家们一共发现了 6 种不同 “味道” 的夸克，分别是上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、顶（t）和底（b）夸克。每一种夸克的质量都不相同，其中上夸克的质量大约在 1.7 - 3.3（ MeV/c²）之间，携带 + 2⁄3 电荷；

下夸克的质量为 4.1 - 5.8（ MeV/c²），带有 - 1⁄3 电荷。通常情况下，两个上夸克与一个下夸克结合形成一个质子，而一个上夸克与两个下夸克组合则会产生一个中子，质子与中子又统称为重子。

质子与中子的电性质是由夸克的电性质决定的，从夸克的层面来看，中子并非不带电，只是对外呈现电中性。

夸克之间并不会相互吸引，将它们结合在一起形成质子或中子的是另一种基本粒子 ——“胶子”。

胶子没有质量，但其作用至关重要，它负责在夸克之间传递强力，从而将夸克拉拢在一起。根据量子物理学理论，夸克不能单独存在（即夸克禁闭），所以尽管胶子和光子一样没有质量，但它却无法达到光速，因为它必须与夸克共存。

而通过强力将质子、中子结合在一起形成原子核的介子，是由一对正反夸克组成的。那么，夸克还能不能继续再分呢？

截至目前，并没有实验能够证明夸克还可以被分成更小的粒子。不过，科学家们推测夸克应该是分层的，这也决定了夸克具有不同的 “味”、不同的 “色” 以及不同的质量。或许在未来的某一天，我们能够确定夸克可以被进一步细分，但这不仅需要理论上的支持，更需要通过科学实验来加以验证。

到目前为止，科学家们已经证实并发现的基本粒子包括：6 种夸克，即上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、顶（t）和底（b）夸克；6 种轻子，分别为电子、 μ 子、 τ 子、电子中微子、 μ 子中微子和 τ 子中微子；四种规范波色子，也就是光子、胶子、w 和 z 玻色子；以及被称作 “上帝粒子” 的希格斯玻色子。

通过对原子的深入探究，我们对微观世界有了更清晰的认识。

首先，我们了解了原子内部的结构，原子核与核外电子都是具有质量的实体粒子。尽管原子内部空间极为空旷，但强大的静电场使得这片空间不可侵犯。

其次，原子核内的强相互作用力能够将质子与中子紧密结合在一起，不过要实现这一过程并不容易，需要克服静电力所造成的库仑势垒。而当两个质子足够接近时，就会引发核聚变，原子核的改变会伴随着强大能量的释放。

再者，质子与中子都是由更小的基本粒子夸克通过胶子传递的强力结合而成，同样，原子核内部核子之间是由一对正反夸克组成的介子传递的强力 “粘合” 在一起。

此外，原子并非虚空，组成原子的几乎所有基本粒子都已被证实具有体积和质量，原子是质量与能量的结合体。近期的科学检测结果显示，此前一直被认为 “质量严格为 0” 的光子实际上也具有质量，其静止质量小于 1.2×10^(-51) g。

这充分证明了构成宏观宇宙的一切物质都是真实存在的三维物体，并非由一维 “弦的振动” 或纯粹能量构成的虚幻世界。最后，科学既需要推理与想象，更需要现实的验证。仅仅依靠计算、推理和想象并不能称之为科学。