原子究竟有多小？

很小很小的时候

我们就知道

我们生活中的各种物质

包括我们自己

都是由原子、分子和离子构成的

原子非常非常的小

小到我们的肉眼根本无法分辨

一根头发丝的直径

差不多相当于50万个碳原子排在一起

如果一个原子能有弹珠一般的大小

那么你的拳头就和地球差不多大

这样的类比也许依然不是很直观？

没关系！我们再举一个例子

现在看看你的小拇指

假设你的小拇指指尖

和你现在所处的的房间一样大

然后我们将这个房间填满大米

在这之中

每一粒米的大小

就相当于你指尖一个细胞

这个时候我们再做一次假设

把每一粒大米

也就是每一个细胞再想象成一个房间

然后再往里面灌满大米

现在大米的尺寸

就和细胞内的蛋白质相当了

这还不算完！

我们还要用沙子填满其中的空隙

这个时候沙子的大小

就代表了指尖内的一个原子

不要着急

对着下面这张图好好捋一捋

闭上眼睛仔细想想刚刚这个过程

体会中间每一步的缩放

你才会真真切切地感受到原子的渺小

即便原子已经很小很小

但它仍然不是组成世界的最基本单元

原子本身也具有内部结构

它是由质子、中子和电子组成的

质子和中子组成了原子核

质子带一个单位的正电荷

中子不带电

他们之间靠强相互作用结合在一起

强相互作用是四大基本相互作用之一

质子和中子还可以继续分解

人们认为它们由更小的夸克构成

夸克究竟小到什么程度

科学家们现在也不得而知

在现有的理论下

夸克和电子都是不可再分的

它们都是最基本的粒子

因而可以被看做是“一个点”

相比于原子核依靠强相互作用

牢牢束缚在一起

核外电子则显得自由得多

在经典模型中

电子在原子核外做高速运动

速度可达2200km/s

这样的速度绕地球一周只需18秒

原子并不是一个致密的结构

原子核和核外电子之间有很大的空隙

事实上在一个原子中

99.999999999999%的空间都是真空

如果把构成帝国大厦的原子中

所有的真空都去掉

那么帝国大厦将会变成米粒一般大小

如果把构成整个人类的原子中

所有的真空都去掉

那么人类用一个汤匙就能装下

以上的两个例子

并不是单纯的脑洞大开

宇宙中的中子星正是这样的存在

它只有中子组成

密度大到惊人

一个直径只有几公里的中子星

质量便可以达到太阳的好几倍

然而所谓的真空其实“不空”

真空中也无时无刻不存在着量子涨落

产生一些粒子和能量

并且短时间内迅速消失

它对宇宙大尺度结构的起源非常重要

前面我们说了

电子围绕原子核做高速运动

更准确地说

电子以电子云的形式存在于原子核周围

电子以一定的概率随机出现

但不同位置的概率并不相同

图中所示的这些区域内

电子出现的概率高达95%

因而被称作原子轨道

但是95%并不是100%

尽管电子被电磁力束缚在原子核周围

但是从概率上讲

电子有可能出现在原子轨道外

距离原子核很远很远的位置

甚至在宇宙的另一端

听上去是不是非常神奇？

正是这些神奇的东西

构成了宇宙间的万事万物

然而这还不是全部

除了质子中子夸克电子

宇宙中还有大量其它的基本粒子

科学家们把它们都统一在

标准模型的框架内

不过标准模型也并非完美

仍然有很多超越标准模型的现象

例如暗物质、暗能量等

等待着科学家们去探究

或许其中就隐藏着宇宙的终极奥义吧

素材来源：https://youtu.be/_lNF3_30lUE

编辑：Alex Yuan

本文经授权转载自《中科院物理所》微信公众号

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