既然原子是空的，為什么很多物質(zhì)不透明，且很堅(jiān)硬呢？

不少人了解了一些科學(xué)常識(shí)，就認(rèn)為原子有99.99%是空的，既然如此，就感到奇怪：由原子組成的物質(zhì)為什么又很多不透明，且很堅(jiān)硬呢？這是一種似是而非的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，我們今天就來(lái)把這個(gè)問(wèn)題鬧明白。

原子的空曠是物質(zhì)結(jié)構(gòu)形式，而不是真正的空。所謂原子有99.99%為“空”，是有人用原子核與原子相比，是很小很小的中間一個(gè)核心。這種小我們可以用一個(gè)例子直觀比喻：如果這個(gè)原子核有鳥巢體育館這么大，那么原子外殼就有地球大。但如果把這個(gè)鳥巢與地球比例之間當(dāng)作是“空”，就大錯(cuò)特錯(cuò)了。

物質(zhì)透明不透明，是原子分子的排列方式不一樣，或不同原子對(duì)光子吸收程度不一樣決定的，而不是原子空不空問(wèn)題。玻璃看起來(lái)就透明的，但并沒(méi)有“空”，玻璃比許多物質(zhì)都硬呢。原子99.99%為空的概念本身就是錯(cuò)誤的，是把原子體積與原子核體積之比當(dāng)作了“空的”，把一般的生活常識(shí)拿到了物質(zhì)的微觀世界來(lái)類比。

有人常把一個(gè)原子想象成一個(gè)大空盒子，原子核就是空盒子中間的1只螞蟻，而盒子圍繞著螞蟻整個(gè)空間都是空的，所以質(zhì)疑：這個(gè)盒子既是空的為什么不透明呢？為什么還能夠感覺(jué)到物體呢？即便這種比喻，難道你忘了，外面還有一層盒子？這層盒子難道就不可以阻隔你的視線和觸感？

作為原子的外殼，就是電子，電子就像盒子一樣，把原子核和所謂的“空間”包裹著，讓物質(zhì)都成為有形的實(shí)體。

原子結(jié)構(gòu)：原子由原子核和核外電子組成，一般把原子的數(shù)量級(jí)定為約10^-10m（米），也就是0.0000000001m；原子核的數(shù)量級(jí)約10^-14~10^-15m，也就是0.00000000000001~0.000000000000001m。原子核比原子直徑要小10000~100000倍。因此，原子核的確很小，只是一個(gè)原子體積的萬(wàn)億分之一，甚至千萬(wàn)億分之一，而原子核的質(zhì)量占有了整個(gè)原子的99.96%以上。

原子核質(zhì)量為啥這么大呢？原來(lái)組成原子核的兩種亞原子粒子都很重，這兩種物質(zhì)就是質(zhì)子和中子。質(zhì)子質(zhì)量為1.6726x10^27kg，是電子質(zhì)量的1836倍；中子質(zhì)量為1.6929x10^-27kg，是電子質(zhì)量的1858倍。因此質(zhì)子和中子又叫重子，電子叫輕子，質(zhì)量約9.10956x10^-31kg。

質(zhì)子和中子都不是最基本粒子，而是各由3個(gè)夸克組成（上圖）。質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，帶一個(gè)單位正電荷；中子則由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組成，兩種夸克的電荷相互抵消。但中子電性只是相互抵消不顯電性，并不能由此認(rèn)為中子不帶電。

原子的主要性質(zhì)和質(zhì)量決定于原子核的核子數(shù)，同一類元素的質(zhì)子數(shù)相同，但中子數(shù)可以不一樣，這一類元素就叫同位素。如氫的同位素氕、氘、氚都只有1個(gè)質(zhì)子，因此都只帶1個(gè)核外電子，但氕沒(méi)有中子，氘有1個(gè)中子，氚則有兩個(gè)中子，因此它們質(zhì)量是不一樣的，后兩者分別叫重氫、超重氫。

原子核中有幾個(gè)質(zhì)子，就相應(yīng)有的幾個(gè)核外電子，原子就是由原子核和核外電子組成。每個(gè)電子帶有一個(gè)單位負(fù)電，與質(zhì)子正電抵消，因此原子呈現(xiàn)出電中性。

電子運(yùn)動(dòng)方式：在核子外圍，圍繞著不停運(yùn)動(dòng)的電子，這就是原子的外殼。關(guān)于原子核外電子是一個(gè)什么運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，迄今也還沒(méi)有完全弄清楚?？茖W(xué)家們幾百年來(lái)對(duì)原子的認(rèn)識(shí)是不斷深化的。就拿原子模型來(lái)說(shuō)，經(jīng)歷了帶電實(shí)心球模型、棗糕模型、行星模型、波爾模型、電子云模型等變化。

實(shí)心球模型就是把原子看成處于靜電平衡的實(shí)心球體，由英國(guó)物理學(xué)家、發(fā)明家開爾文提出；棗糕模型又叫葡萄干布丁模型（上圖左），認(rèn)為電子分布在球體中很有點(diǎn)像葡萄干點(diǎn)綴在一塊蛋糕里，是英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆遜提出；行星模型就是把原子運(yùn)動(dòng)比喻為太陽(yáng)系，中間原子核就像太陽(yáng)，而電子就像行星圍繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，提出這種理論的主要有英國(guó)物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福。

量子力學(xué)更深入的對(duì)亞原子微觀粒子進(jìn)行了探究，波爾模型是量子力學(xué)創(chuàng)立人之一波爾提出的。他在量子學(xué)基礎(chǔ)上提出電子在核外的量子化軌道，解決了原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題，成為科學(xué)界更具有說(shuō)服力的原子模型。后來(lái)量子力學(xué)的另一位大師海森堡提出了不確定性原理，形成了原子電子云結(jié)構(gòu)（上圖右），成為現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的主流。

由此，我們看到，不管是哪種模型，都沒(méi)有認(rèn)為原子是空的。電子就是原子的外殼，而現(xiàn)代理論認(rèn)為，電子并不像過(guò)去認(rèn)為的那樣，只是分層圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)，而是具有位置和動(dòng)能的不確定性，它可以隨機(jī)地出現(xiàn)在圍繞著原子核的任意一點(diǎn)，這就是所謂的電子云模型。

根據(jù)泡利不相容原理，任何粒子（費(fèi)米子）都具有簡(jiǎn)并壓，就是不愿意靠在一起的特性，只有極大壓力才能夠與之相對(duì)抗。因此原子與原子之間、電子與電子之間都是具有排斥力的。而我們世間一切物質(zhì)，包括人類都是由原子組成的，這樣物質(zhì)與物質(zhì)之間就是有區(qū)別和界限的，各種物質(zhì)就不可能是空的。

但原子又確是比較松散結(jié)構(gòu)，在我們地球世界，這種松散結(jié)構(gòu)形成了各種物質(zhì)。但在極端條件下，原子會(huì)被壓垮、壓實(shí)，就形成了極端特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。比如在白矮星、中子星上，原子在巨大引力壓力下已經(jīng)無(wú)法保持原來(lái)的“矜持”狀態(tài)，被壓扁甚至被壓碎了。但電子或中子還是遵循泡利不相容原則，竭力用相互排斥的壓力抵御巨大的引力壓力，保留著天體有形的形態(tài)。

白矮星物質(zhì)稱為電子簡(jiǎn)并態(tài)，密度每立方厘米可達(dá)10噸；中子星物質(zhì)則稱為中子簡(jiǎn)并態(tài)，密度每立方厘米可達(dá)驚人的10~20億噸。這是另一個(gè)話題，在此不展開來(lái)說(shuō)，就此打住。歡迎討論，感謝閱讀。

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