近日讀到一篇分析原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)文章，它從原子中巨大的空間說起，談到質(zhì)子、中子，又談到夸克和玻色子，最后談到弦，得出的結(jié)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(gòu)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(zhì)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。你可以選擇看大標(biāo)題、粗體要點和文末結(jié)論部分來了解。）
前幾天在寫一篇關(guān)于原子的文章時，我用了下面這張圖來形容原子內(nèi)部的空間：
如果將原子比作體育場，原子核與電子的位置
當(dāng)我們將一個原子放大到體育場的大小，電子會處在看臺的位置，這時候原子核在哪里？圖片中黃色箭頭指向草坪，原子核有草坪那么大嗎？并不是，原子核太小了，在體育場里它只有綠豆那么大，所以我們沒辦法在圖中把它標(biāo)出來。我們能在看臺上找到電子嗎？很難，電子比座椅上的灰塵還??！
由此可見，原子內(nèi)部真的很空。
實際上，構(gòu)成世間萬物的原子的直徑大約在10?1?m的數(shù)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(dāng)于1米的一萬億分之一），也就是1.82×10?1?m，一個C-12原子的質(zhì)量僅為1.993×10?2?kg。
原子的質(zhì)量主要集中在它的原子核，準(zhǔn)確地說是集中在其質(zhì)子和中子。所以我們通常將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(zhuǎn)，就像行星繞著太陽運行一樣。
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(zhì)量。
原子是有質(zhì)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，這空間里有什么？
原子核中至少有一個質(zhì)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(zhì)子帶正電荷，所以原子核整體帶正電。
氘原子結(jié)構(gòu)
帶正電的原子核周圍存在強(qiáng)大的電場，電子也有自己的電場，帶負(fù)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(zhì)量僅為9.11×10?31kg，它在原子這樣的極小尺度里以接近光速運行，所以從外部看，電子是隨機(jī)出現(xiàn)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，它的軌跡更像是一團(tuán)云霧，因此被稱為電子云。
氫原子的電子云像一團(tuán)濃霧，它表示電子會隨機(jī)出現(xiàn)在各個位置
我們并不實際了解電子的運動軌跡，但科學(xué)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(xiàn)一定的規(guī)律性。
不要以為原子核與電子軌道之間很空，你就可以隨便進(jìn)入，事實上當(dāng)電子占滿了它們的軌道之后，就在原子的外圍構(gòu)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(zhì)入內(nèi)的。
這就是為什么原子看起來很空，但它又十分堅硬的原因。致密的原子核擁有強(qiáng)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(yīng)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(jù)了原子99.96%的質(zhì)量，它是致密的，原子核的密度大約為101?kg/m3。如果你在1立方厘米小手指尖大小的空間里裝滿原子核，它的重量將達(dá)到1億噸！
除氕外，其它元素的原子核都由質(zhì)子和中子組成。
原子核構(gòu)成示意圖
原子核中質(zhì)子的數(shù)量被稱為原子序數(shù)，它決定原子是什么；中子是原子核的“穩(wěn)定劑”。當(dāng)原子序數(shù)小于20時，原子核里質(zhì)子與中子的數(shù)量基本相等，無論中子多了或少了，原子核都不穩(wěn)定，它有放射性，會通過衰變和釋放能量來使自己達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。但是當(dāng)原子核里的質(zhì)子數(shù)量大于20個時，它就需要更多的中子來幫助穩(wěn)定。
原子核里并不空，質(zhì)子之間以及質(zhì)子與中子之間被強(qiáng)力緊緊地拉在一起。質(zhì)子的靜止質(zhì)量是1.6726231(10)×10?2?kg，是電子質(zhì)量的1836倍；中子跟質(zhì)子差不多大，它的靜止質(zhì)量為1.6749286(10)×10?2?kg，約是電子質(zhì)量的1838倍。我們不能單純把質(zhì)子與中子的質(zhì)量簡單相加來得到原子核的質(zhì)量，事實上原子核的質(zhì)量要小一些，這是因為一部分的質(zhì)量被轉(zhuǎn)化為核子之間的結(jié)合能量了。
前面的章節(jié)提到，質(zhì)子是帶正電荷的，它有電場，兩個質(zhì)子之間因為電荷相同會相互排斥，為什么在原子核里它們可以緊密地“粘”在一起？
這是因為核力在起作用。
兩個質(zhì)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(qiáng)大，它使質(zhì)子擁有自己的勢力范圍，我們稱之為庫侖勢壘。如果想把兩個質(zhì)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(zhì)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，它會迅速將質(zhì)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(zhì)子的質(zhì)量轉(zhuǎn)化的。核力是強(qiáng)力，它比靜電力強(qiáng)137倍，可以確保原子核保持穩(wěn)定，不會散開。
將兩個質(zhì)子壓在一起會發(fā)生核聚變
量子理論認(rèn)為原子核內(nèi)部的結(jié)合力是核力，核力是一種強(qiáng)相互作用力，它是由介子提供的，介子是一種夸克組合。
科學(xué)家們通過強(qiáng)大的粒子對撞機(jī)撞擊微觀粒子后證實，質(zhì)子與中子還是可以再分割的，它們由一種叫“夸克”的微觀粒子組成。
與電子一樣，夸克是更小的基本粒子，同時，夸克也是有質(zhì)量的。科學(xué)家們目前共找到6種不同“味道”的夸克，它們分別是 它們是上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、頂（t）和底（b）夸克。每一種味的夸克質(zhì)量各不相同，其中上夸克質(zhì)量約在1.7 - 3.3（ MeV/c2）間，它帶+2?3電荷；下夸克的質(zhì)量為4.1 - 5.8（ MeV/c2），它帶-1?3電荷。
通常兩個上夸克與一個下夸克結(jié)合成一個質(zhì)子，而一個上夸克與兩個下夸克組合會產(chǎn)生一個中子，質(zhì)子與中子又稱為重子。質(zhì)子與中子的電性質(zhì)是由夸克的電性質(zhì)決定的，從夸克的角度看，中子并不是不帶電，它只是對外顯示電中性。
兩個上夸克與一個下夸克組成了質(zhì)子
夸克之間并不相互吸引，將夸克拉在一起結(jié)合成質(zhì)子或中子的是另一種基本粒子“膠子”，膠子沒有質(zhì)量，但它負(fù)責(zé)在夸克之間傳遞強(qiáng)力，從而將夸克拉在一起。量子物理學(xué)認(rèn)為夸克不能單獨存在（夸克禁閉），所以膠子盡管跟光子一樣沒有質(zhì)量，它也無法達(dá)到光速，因為它必須與夸克共存。
而通過強(qiáng)力將質(zhì)子、中子拉在一起形成原子核的介子，它是由一對正反夸克組成的。
沒有實驗可以證明夸克還可以分成更小的粒子，但科學(xué)家們認(rèn)為夸克應(yīng)該是分層的，這決定了夸克擁有不同的“味”、不同的“色”以及不同的質(zhì)量?；蛟S未來的某一天我們可以確定夸克可以被分得更小，這不僅需要理論支持，還需要科學(xué)實驗的結(jié)果來加以證實。
到目前為止科學(xué)家們證實能找到的基本粒子包括：
6種夸克：上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、頂（t）和底（b）夸克；
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(guī)范波色子：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(jīng)確認(rèn)的基本粒子圖表
一、我們了解了原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，原子核與核外電子都是有質(zhì)量的實體粒子，盡管很“空”，但強(qiáng)大的靜電場決定了原子內(nèi)部巨大的空間是“不可侵犯”的。
二、原子核內(nèi)的強(qiáng)相互作用力會將質(zhì)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(zhì)子足夠接近時將引發(fā)核聚變，原子核的改變會伴隨強(qiáng)大能量的釋放。
三、質(zhì)子與中子都由更小的基本粒子夸克結(jié)合而成，夸克由膠子傳遞的強(qiáng)力結(jié)合在一起；同樣，原子核內(nèi)部核子之間則是由一對正反夸克組成的介子傳遞的強(qiáng)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(jīng)被證明了具有體積和質(zhì)量，原子是質(zhì)量與能量的結(jié)合體。最近的科學(xué)檢測結(jié)果表明，此前一直被定義為“質(zhì)量嚴(yán)格為0”的光子也具有質(zhì)量，光子的靜止質(zhì)量小于1.2×10^(-51)g。這證明構(gòu)成宏觀宇宙的一切物質(zhì)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(gòu)成的虛幻世界。
五、科學(xué)需要推理與想象，科學(xué)同時需要現(xiàn)實可驗證，單憑計算、推理與想象并不能被稱為科學(xué)。到目前為止，所有的“弦理論”、“十維時空”、“膜結(jié)構(gòu)”、“多重宇宙”以及“宇宙由能量構(gòu)成”等等都僅是數(shù)學(xué)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
