碳原子的直径大小体积大小(碳元素原子核的直径)

最近看了一篇分析原子内部结构的文章。从原子中的巨大空开始，讲到质子、中子、夸克、玻色子，最后讲到弦。结论是空空在原子中也是一样的，我们的整个世界都是由一维的“弦”和能量组成的，给人一种

今天我们来解剖原子，看看这个世界是物质的还是虚幻的。

(温馨提醒:本文约3400字，阅读时间约5分钟。你可以选择阅读文章的大标题、加粗的要点和文末的结论来了解一下。)

原子很空

前几天写一篇关于原子的文章时，我用了下面这张图来描述原子内部的空房间:

如果将原子比作体育场，原子核与电子的位置如果把原子比作体育场，原子核和电子的位置。

当我们把一个原子放大到体育场那么大时，电子就会出现在看台上。这个时候原子核在哪里？图中黄色箭头指向草坪。细胞核有草坪那么大吗？不行，细胞核太小了。在体育场里，它只有绿豆那么大，所以我们无法在图中标出它。我们能在看台上找到电子产品吗？很难。电子产品比座位上的灰尘还小！

由此可见，原子内部其实是空。

实际上，构成世界万物的原子直径大约是10米。例如，我们最常见的碳原子的直径是182pm(皮米，一皮米相当于一米的万亿分之一)，这是1.82×10⁻ ⁰m.，一个C-12原子的质量只有1.993×10⁻ ⁶kg.

原子的质量主要集中在原子核中，特别是质子和中子。所以我们通常这样画原子来突出原子核:

通常所见的原子模型通常的原子模型

在日常原子模型中，原子核是一个大球，在原子中鹤立鸡群，电子绕着它转，就像行星绕着太阳转一样。

类似的图都是错的。如果你在任何一张A4纸上画原子，原子核几乎小到看不见，电子也无处可寻。原子核的体积只有原子体积的十亿分之一，也就是说，除了原子核以外，99.99%以上的原子都是空，但就是这个微小的原子核，集中了原子质量的99.96%。

原子有质量。虽然小，虽然空，但原子不是虚无。

原子的“壳”

原子核和电子之间似乎有一个巨大的空空间。这个空空间里有什么？

原子核中至少有一个质子，除了氢的同位素，其他元素的原子核中也会有中子。中子是电中性的，质子带正电，所以整个原子核都带正电。

氘原子结构氘原子结构

带正电的原子核周围有很强的电场，电子有自己的电场。带负电荷的电子围绕原子核运动，原子核与电子的相互作用主要是静电力。

电子很轻，质量只有9.11×10⁻千克。它像原子一样在非常小的尺度内以接近光速的速度运行，所以从外面看，电子随机出现在原子的外围。它不像行星绕恒星那样以圆形或椭圆形轨道运行，其运行轨迹更像一朵云，因此被称为电子云。

氢原子的电子云像一团浓雾，它表示电子会随机出现在各个位置氢的电子云就像浓雾一样，意味着电子会随机出现在各个位置。

我们实际上并不知道电子的运动轨迹，但是科学家通过实验证明，电子围绕原子核运动有自己的轨道，而且这些轨道呈现出一定的规律性。

不要认为原子核和电子之间的轨道是空，你可以直接进入。事实上，当电子填满它们的轨道时，一个或多个看不见的“壳”就在原子周围形成了。除了不带电的中子和中微子，这个壳层(也叫“能量层”)禁止其他物质进入。

这就是为什么原子看起来很空，其实很硬的原因。致密的原子核有很强的电场，吸引电子在其周围构建一个看不见的硬壳。除非放入恒星中心或核聚变反应堆，否则我们无法穿透原子的外壳。

致密的原子核

原子核以其体积的十亿分之一占据了原子质量的99.96%。它的密度很大，密度在10 kg/m左右，如果用原子核填满1立方厘米内小指尖大小的空房间，其重量将达到1亿吨！

其他元素的原子核由质子和中子组成。

原子核构成示意图原子核示意图

原子核中的质子数称为原子序数，它决定了原子是什么；中子是原子核的“稳定器”。当原子序数小于20时，原子核中的质子数和中子数基本相等。不管中子多还是少，原子核都是不稳定的。它有放射性，会通过衰变释放能量使自身稳定。但是当原子核中的质子数大于20时，它需要更多的中子来帮助稳定它。

原子核不是空，质子和中子被强烈而紧密地拉在一起。质子的静止质量为1.6726231 (10) × 10kg，是电子质量的1836倍。中子几乎和质子一样大，其静止质量为1.6749286 (10) × 10kg，约为电子质量的1838倍。我们不能简单的把质子和中子的质量相加得到原子核的质量。其实原子核的质量更小，因为一部分质量转化成了原子核之间的结合能。

原子的核力

上一章提到，质子带正电，它们有电场，两个质子因为电荷相同而互相排斥。为什么它们能在细胞核里紧紧“粘”在一起？

这是因为核力量在起作用。

两个质子或两个原子核互相排斥，因为它们带相同的电荷。排斥力是静电力。静电力非常强大，使得质子有了自己的势力范围，我们称之为库仑势垒。如果你想把两个质子揉在一起，你需要一个非常大的力来克服这个库仑势垒。

两个原子核之间因静电力互相排斥由于静电力，两个原子核互相排斥。

但是，一旦两个质子接近2.5fm(毫微微米，1毫微微米等于千分之一皮米)，核力就会起作用。它会迅速将质子拉在一起，并向外释放巨大的能量。这种聚变能量被质子的质量转化。核力强，比静电力强137倍，可以保证原子核保持稳定，不会散开。

将两个质子压在一起会发生核聚变当两个质子被压在一起时，就会发生核聚变。

量子理论认为，原子核内部的束缚力是核力，核力是一种强相互作用力，由介子提供，介子是一种夸克组合。

质子与中子由夸克构成

科学家们已经证实，质子和中子仍然可以通过用强大的粒子对撞机撞击微观粒子来细分。它们由一种叫做夸克的微观粒子组成。

和电子一样，夸克是更小的基本粒子，同时，夸克具有质量。目前，科学家已经发现了6种“味道”不同的夸克。它们是上夸克(U)、下夸克(D)、魅夸克(C)、奇夸克(S)、顶夸克(T)和底夸克(B)。各味的夸克质量不同，其中上夸克质量约为1.7-3.3 (MeV/c)，它带有+23的电荷；下夸克的质量为4.1-5.8 (MeV/C)，电荷为-13。

通常，两个上夸克和一个下夸克结合形成一个质子，而一个上夸克和两个下夸克结合产生一个中子。质子和中子也被称为重子。质子和中子的电性是由夸克的电性决定的。从夸克的角度来看，中子并不是不带电的，只是呈现电中性。

两个上夸克与一个下夸克组成了质子两个上夸克和一个下夸克形成质子。

夸克之间不相互吸引。将夸克拉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，但它负责在夸克之间传递强大的力，从而将夸克拉在一起。量子物理学认为夸克不能单独存在(夸克禁闭)，所以胶子即使没有光子那样的质量也达不到光速，因为它们必须和夸克共存。

由一对正负夸克组成的介子，是通过用力将质子和中子拉在一起而形成的。

夸克还能不能再分？

没有实验证明夸克可以被分成更小的粒子，但是科学家认为夸克应该是分层的，这就决定了夸克有不同的味道、颜色和质量。也许在未来的某一天，我们可以确定夸克可以被分成更小的，这不仅需要理论支持，还需要科学实验的结果来证实。

到目前为止，科学家已经确认可以发现的基本粒子包括:

6种夸克:上(U)、下(D)、粲(C)、奇(S)、顶(T)、底(B)夸克；

6轻子:电子、μ子、τ子、电子中微子、μ子中微子、τ中微子；

四种规范玻色子:光子、胶子、W和Z玻色子

以及被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子。

已经确认的基本粒子图表确认的基本粒子图

总结:首先，我们知道原子的内部结构。原子核和核子都是有质量的固体粒子。虽然都是“空”，但是强大的静电场决定了原子内部巨大的空空间是“不可侵犯的”。

第二，原子核内强大的相互作用力会把质子和中子拉在一起。做到这一点并不容易，需要付出巨大的能量来克服静电力造成的库仑势垒；一旦两个质子足够接近，就会触发核聚变，原子核的变化会伴随着强大能量的释放。

3.质子和中子由更小的基本粒子夸克结合，夸克由胶子强烈结合；同样，原子核中的原子核被一对正负夸克组成的介子强有力地“束缚”在一起。

四。原子不是虚的空。几乎所有构成原子的基本粒子都被证明具有体积和质量。原子是质量和能量的结合体。最近的科学检验结果表明，以前被定义为“严格0质量”的光子也有质量，光子的静止质量小于1.2× 10 (-51) g，这证明了构成宏观宇宙的所有物质都是真实的三维物体，而不是由一维“弦振动”或能量构成的想象世界。

5.科学需要推理和想象，科学同时需要现实来验证。单靠计算、推理和想象不能称之为科学。到目前为止，所有的弦理论、十维时间空、膜结构、多元宇宙、能量组成的宇宙都只是数学推理，没有任何实验或观测可以证明它们的真实存在。

有人称“弦理论”可以解释一切，遗憾的是它从来没有得到过证明有人说“弦理论”可以解释一切，可惜从未被证明。

因此，无论是从经典物理还是量子物理，微观粒子的研究还是宏观世界的观察，都证明了我们所处的宇宙是物质的、四维的、真实的。