原子是什么樣子的？

這似乎是個很傻的問題，因為只要一提到原子，許多人就會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，就像下面這張圖一樣。

傳統的原子圖像

(資料圖片僅供參考)

也有的朋友說這樣畫原子是不對的，原子核外圍的電子有不同的軌道，它是一層一層分級的，比如說鐳原子應該畫成下面的樣子。

鐳原子的電子軌道圖

這樣畫對嗎？

你不能說它不對，因為在我們的常識里，原子它就是這個樣子，并且全世界的中學教科書里全都是這樣教的，它表示了原子的構成原理。

然而實際上，不僅原子本身極小，在一個原子里，原子核與電子更是小到看不見。我經常拿體育場來打比方：當我們將一個氫原子放大到一個大型體育場那么大時，原子核不過是場中央的一顆綠豆，而電子呢？它可能只是最邊緣看臺座椅上的一粒微塵。

原子內部很“空”

看起來原子很“空”，對吧？

那么問題來了，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？要想搞清楚這些問題，我們還得從原子本身說起。

原子的結構

原子是構成世間萬物的基本粒子，它非常小，尺寸大約僅是1納米的十分之一，也就是大約一百萬分之一毫米。由于它的尺寸遠遠小于可見光的波長，因此我們不能使用任何一臺光學顯微鏡觀察到它。直到掃描隧道電子顯微鏡出現后，人們才得以間接“觀察”到單個原子表面的情況。

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”，即使光子比電子更小（光子沒有體積），但光子依然無法穿過電子所形成的屏障。因為光子總是表現為電磁波，它要么被電子吸收，要么被電子形成的電磁場屏蔽，因此大多數光子無法順利穿過原子。

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

在原子核的表面有非常強大的磁場，比如說元素鉍的原子核表面的磁場強度甚至與中子星表面相當，只是它的尺度極小，這個磁場僅對圍繞著原子核運動的電子起作用。

原子的結構圖

電子是什么樣子的？

沒有人知道電子實際是什么形狀，我們看不到電子。傳統物理理論認為，電子是一個極微小的小球體，它很輕，質量僅為9.11×10?31kg，它在原子這樣的極小尺度里以接近光速運行。

但是在原子這么小的尺度下，經典物理理論無法解釋許多奇怪的現象，我們需要利用量子力學。

量子物理認為，電子不是一個球，而是一團云。一個電子在它的軌道上可以出現在這里又同時出現在那里。盡管這很難讓人理解，但它就是量子力學對電子云的解釋：原子核中的質子通過其強大的電磁力制造了一個靜電場勢阱，電子被束縛在這個勢阱中，電子云就是其中的一個區域；由于電子具有波粒二相性，它便成為這個區域中不斷變化的三維駐波，電子的軌道就是空間中擴展的量化波函數。

不同的電子軌道

由于圍繞在原子核周圍s軌道中電子的波函數實際上一直會向下延伸到原子核表面，這意味著電子在某些時刻會“進入”原子核。從這個意義上講，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，電子和原子核的質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。在量子場理論中，電子會與質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，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圍的空間

現在，讓我們回到本文最初關心的問題：