原子是什麼樣子的？
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
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，因為在我們的常識裡，原子它就是這個樣子，並且全世界的中學教科書裡全都是這樣教的，它表示了原子的構成原理。
然而實際上，不僅原子本身極小，在一個原子裡，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麼大時，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？
那麼問題來了，在原子核與電子之間的“巨大”空間裡到底有什麼東西呢？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。由於它的尺寸遠遠小於可見光的波長，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後，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？並不能。
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，它要麼被電子吸收，要麼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
電子是什麼樣子的？
沒有人知道電子實際是什麼形狀，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裡以接近光速運行。
但是在原子這麼小的尺度下，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，而是一團雲。一個電子在它的軌道上可以出現在這裡又同時出現在那裡。儘管這很難讓人理解，但它就是量子力學對電子雲的解釋：原子核中的質子通過其強大的電磁力製造了一個靜電場勢阱，電子被束縛在這個勢阱中，電子雲就是其中的一個區域；由於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
由於圍繞在原子核周圍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並不是真正的“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。
電子雲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：
原子核的周圍到底有什麼？
有電子。
在經典物理學看來，電子是粒子，它圍繞在原子核周圍運行；電子的運動形成了電磁場，這種電磁場會排斥其它原子表面的電磁場，從而使原子之間保持距離。我們可以說在原子核與電子之間是真正的“空白”。
而在量子物理看來，電子是量子粒子同時也是波，它沒有特定的位置，所有的存在都是粒子在任何給定時間位置概率的集合，它分佈在原子核的周圍形成“雲”，近至原子核本身，遠至銀河系的另一端。電子雲是一層“堅固的”概率雲，它包裹著原子核，所以原子核周圍沒有“空白”。
原子
除了電子之外呢？
除電子之外都是過客。無論是γ射線光子、部分X射線光子、中微子還是極少數自由中子，它們都只是一閃而過，不會長時間呆在原子內部的空間裡。
閱讀更多 老粥科普 的文章
