原子内部99%以上都是空的？

2025-06-3 10:28    68次

在微观世界的探索中，原子的内部结构吸引着无数科学家去揭开其奥秘。其中，原子内部 99% 以上都是真空这一事实，是最为惊人的发现之一。

从原子的基本构成来看，它由原子核和核外电子组成。若将原子放大到足球场那般庞大，原子核仅仅只有一颗豆子大小，安静地处于足球场的正中央。

而电子呢，更是微小得如同足球场看台上的一粒灰尘，甚至比这还要小得多。这样的比例对比，生动而直观地展现出原子内部空间的巨大空旷程度。原子核与电子在如此广阔的原子空间里，显得是那么的渺小，仿佛是浩瀚宇宙中的微小星辰，使得原子内部绝大部分区域都处于一种近乎真空的状态 。

以氢原子为例，它是结构最为简单的原子，原子核就是一个质子，核外仅有一个电子围绕运行。测量数据显示，处于基态的氢原子半径约为 0.528 乘以 10 的负 10 次方米，而质子半径为 0.833 乘以 10 的负 15 次方米，经过简单计算，我们会惊讶地发现，其原子半径竟然是原子核半径的大约 63385 倍。

至于电子的半径，目前虽无具体测量值，但可以确定的是，它不会超过 10 的负 16 次方米。这一实例进一步印证了原子内部空间的空旷程度，让我们对原子内部的真实景象有了更为清晰的认知。

尽管原子内部呈现出极大的空旷，但这并不意味着其中是一片死寂的真空状态。

恰恰相反，这里充满了活跃的物理现象，其活跃程度远超我们的想象 。

从电场的角度来看，原子核带正电，电子带负电，这一正一负的电荷分布使得原子核周围形成了非常强大的电场，同时电子自身也有电场。这两个电场相互作用，构建起了原子内部微观粒子相互作用的基础框架。就如同地球周围的磁场与太空中的各种粒子相互作用一样，原子内部的电场也在不断地与电子以及可能进入原子内部的其他粒子发生着相互作用 。

而电子的运动方式更是为原子内部增添了无限的活力。电子并不是像我们传统认知中行星围绕恒星那样，做固定的圆周运动。实际上，电子并没有固定的轨道，它会非常随机地出现在原子核周围。这种随机出现的特性，使得电子在原子核周围形成了一大团云状的分布，也就是我们所说的 “电子云” 。

电子云的存在，就像是在原子核周围建造了一层又一层的 “硬壳”。一般的粒子很难突破这层 “硬壳” 进入原子内部，因为电子云的随机分布和高速运动，使得其他粒子在试图靠近原子核时，会受到电子的强烈排斥。

以金属原子为例，电子云的这种 “防护” 作用，使得金属具有了良好的导电性和导热性，因为电子能够在原子之间相对自由地移动，传递电荷和热量。 而像中微子这样不带电的粒子，由于不受电场力的作用，才可以较为随意地进入原子内部，不会受到电子云的阻碍。

这也就解释了为什么从理论上来说，原子内部 99% 以上都是真空，显得极为空旷，但在实际表现中却非常致密硬实。原子就像是一个坚固的堡垒，凭借着电子云这层无形的 “防护铠甲”，抵御着外界粒子的随意侵入。

一般的力量很难对原子进行压缩，因为要克服电子云所带来的强大阻力。只有在极端条件下，例如大质量天体的恒星核心区域，那里有着巨大的温度和压强，才有可能突破原子的这层 “防线”，使得原子内部的粒子发生相互作用 。

在原子的微观世界里，原子核虽只是一个极其微小的存在，却蕴含着巨大的能量与奥秘，扮演着核心角色。它的体积仅占原子总体积的极小部分，若将原子比作一座庞大的体育场，原子核就如同体育场中心的一颗微不足道的豆子 。

然而，就是这样微小的原子核，却集中了原子 99.9% 以上的质量，其密度大得惊人。据测算，一立方厘米的原子核质量高达一亿吨，这种密度在宏观世界中是难以想象的，若将同等体积的原子核物质放置在地球上，其重量足以对地球的生态环境产生毁灭性的影响 。

原子核由质子和中子构成，质子带正电，中子不带电 。它们能够紧密地结合在一起，靠的是强大的强力，这种力也被称为强相互作用。强力是自然界四种基本相互作用中最强的一种，它的作用范围非常小，只在原子核这样极小的尺度内生效。在原子核中，质子之间由于都带有正电荷，会产生电磁排斥力，这种排斥力试图将质子分开。但强力的强度远远超过电磁力，它能够有效地克服质子间的电磁排斥力，使质子和中子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。

就像在一场拔河比赛中，电磁力如同一个力量较小的队伍，而强力则是一个力量强大的队伍，尽管电磁力在不断地拉扯，但强力凭借其强大的实力，牢牢地掌控着局面，确保质子和中子不会分离 。

进一步深入到原子核内部，我们会发现质子和中子还有着更为精细的结构，它们都是由夸克组成的。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，而中子由一个上夸克和两个下夸克组成。夸克是目前已知的构成物质的基本粒子之一，然而，由于夸克禁闭的存在，夸克无法单独存在，人们也无法直接观测到夸克的存在 。

不同的夸克之间通过 “胶子” 传递强力，从而结合在一起。胶子类似于传播电磁力的光子，是强力的传播子，本身没有质量（静质量）。在这个微观世界里，夸克与胶子之间的相互作用极其复杂。三个夸克的质量只占据了质子（中子）质量的不到 1%，那么剩下的 99% 的质量从何而来呢？原来，这 99% 的质量都是由强相互作用产生的。

当夸克通过胶子传递的强力结合在一起时，会产生一种结合能，根据爱因斯坦的质能方程 E=mc2，能量和质量是等价的，这种结合能就以质量的形式体现出来，从而构成了质子（中子）绝大部分的质量 。

以太阳内部的核聚变反应为例，氢原子核（质子）在高温高压的条件下，克服电磁排斥力，靠强力结合在一起形成氦原子核，在这个过程中，部分质量转化为能量释放出来，这就是太阳能够持续发光发热的能量来源 。

在原子内部这个微观世界里，除了原子核和电子这两个主要成员外，还存在着众多其他粒子与场，它们共同构成了一个复杂而精彩的微观宇宙。

光子是其中一种重要的粒子，它是电磁相互作用的媒介粒子 。

在原子内部，当电子从高能级跃迁到低能级时，会释放出光子。例如，在氢原子中，当电子从较高的能级轨道跃迁到较低能级轨道时，就会发射出特定频率的光子，这些光子的能量和频率与电子的能级差相对应，这也是原子光谱形成的原因。

这种能级跃迁和光子发射的过程，在日常生活中的荧光灯发光原理中得到了体现。荧光灯内部的气体在电场作用下电离，电子跃迁过程中发射出紫外线光子，紫外线光子再激发荧光粉，使其发出可见光 。由此可见，光子在原子内部的电磁相互作用中扮演着关键角色，它就像是原子内部微观世界的信息传递使者，通过自身的产生和吸收，实现了原子内部能量的传递和转换 。

中微子也是原子内部的 “常客”，它是一种质量和体积都比电子小得多的基本粒子 。中微子不参与电磁相互作用和强相互作用，只与弱相互作用有关。由于其特殊的性质，中微子可以轻松地穿越原子内部的空间，很少与其他粒子发生碰撞。

据研究，每秒钟大约有 1000 万亿个中微子穿过我们每个人的身体，而我们却毫无察觉 。在太阳内部的核聚变反应中，会产生大量的中微子，这些中微子以接近光速的速度向四面八方传播，其中一部分会穿过地球，穿越原子内部的空间 。中微子的存在，为我们揭示了原子内部微观世界的另一面，它的特殊性质和行为方式，让我们对原子内部的相互作用有了更深入的认识 。

当原子核发生衰变时，会释放出各种粒子。α 衰变会释放出一个由两个中子和两个质子组成的 α 粒子，α 粒子实际上就是氦原子核。在镭 - 226 的 α 衰变过程中，镭原子核会释放出一个 α 粒子，自身转变为氡原子核 。β 衰变则会释放出电子或正电子，同时也释放中微子。

例如，钴 - 60 的 β 衰变，会释放出电子和反中微子，同时原子核转变为镍 - 60 。这些衰变过程中释放出的粒子，会在原子内部的空间中短暂存在，它们的出现和消失，反映了原子核内部的不稳定和变化，也为我们研究原子核的结构和性质提供了重要线索 。

除了这些粒子，原子内部还存在着各种场。

希格斯场是一个重要的理论概念，它给基本粒子赋予质量。可以将希格斯场视为一种无形的 “糖浆”，粒子在其中运动时会受到阻碍，从而获得质量 。不同的基本粒子与希格斯场的相互作用强度不同，导致它们具有不同的质量。例如，电子与希格斯场的相互作用较弱，所以电子质量较轻；而顶夸克与希格斯场的相互作用很强，其质量就非常大 。希格斯场的存在已经通过大型强子对撞机的实验得到了证实，这一发现不仅完善了粒子物理学的标准模型，也让我们对原子内部粒子质量的起源有了更深刻的理解 。

引力子是引力的传播者，类似于其他基本力的媒介粒子 。虽然引力在原子内部的作用相对较弱，但由于原子核和电子都有质量，它们之间仍然存在引力，即使这种引力非常微小，也不可忽视 。根据广义相对论，引力是由质量引起的时空弯曲所产生的，而引力子则是在这个弯曲时空中传递引力相互作用的粒子 。

目前，虽然还没有直接探测到引力子，但科学家们通过对引力波的探测，间接证明了引力子存在的可能性 。例如，2016 年 LIGO 科学组织和 Virgo 团队首次探测到了双黑洞合并时产生的引力波信号，这一发现为引力子的存在提供了间接证据，也让我们对原子内部微观世界的引力相互作用有了更深入的思考 。

编辑：陈方

一审：李慧

二审：汤世明

三审：王超