記憶中的舊時光

人類對於微觀物質的認識是隨著科學理論、觀測技術的進步循序漸進。

現在我們知道一種物質的基本組成單元是分子，分子能表現出化學性質。在細分就是原子，這個時候已經不是化學領域了，而是進入了物理領域。原子再剖開，裡邊就是原子核和核外電子。而把原子核再次剖開出現的是帶正電的質子和不帶電的中子；而把中子和質子再次分開每個內步都是三個夸克。夸克是人類目前已知的最小微觀粒子了。

一般原子的主要質量集中在原子核上，而核外電子默認為是沒有質量的粒子，我們可以把它叫做輕子。

雖然原子核佔據了大約99.96%的原子質量，但是體積上卻是特別小的。原子核的直徑大約在10^-15m~10^-14m之間，大約只佔原子體積的五千億分之一。那麼你可能會想電子既沒質量也沒體積那麼大空間用的過來嗎？

這個從量子力學的不確定原理出發，電子的位置是不確定的，也可以說它在原子核外的任何位置。

大家對於原子核和原子之間的大小關係可能並沒有直觀的概念，那我們來類比一下

地球的半徑大約是6000公里，如果把地球看成一個原子，那麼原子核將會多大哪？大約是一個棒球場的大小，而電子和夸克僅僅相當於一個棒球的大小。

大家都喜歡把微觀的原子結構和我們的太陽系做對比，在某些方面它們確實是非常相像的。

科學黑洞

原子由原子核及核外電子組成，原子內部空間極其空曠，原子核體積只佔原子總體積的千億分之一，但大量的質量99%的質量集中在了原子核上。

原子核由質子與中子構成，強核力使它們牢牢的“捆綁”在一起，密度極大，達到了10^17kg/m^3，這是什麼概念呢？

1m^3的空間如果全部用來裝原子核的話，可以裝10^17kg這麼多，也就是一百萬億噸，由此可以知道，中子星上的物質為啥都那麼重了吧。

原子的直徑的數量級大約在10^（-10）m，原子核的直徑在10^（-15）m。

地球的直徑是12742千米，簡單的計算就可以知道，將原子比作地球模樣，那麼原子核的大小就像是一個半徑僅為50米左右的球體。不過由於不同的原子直徑的數量級不同，所以，取值也會有浮動。

有的人會有疑問，原子內部如此空曠，為何不擠在一起，卻浪費那麼大的空間？

因為核外電子是費米子，泡利不相容原理要求，“不可能有兩個同樣的費米子擁有同樣的量子態”。它們分佈在不同的能級上，隨機的出現在原子某個角落裡，用電子雲模型來描述。

科學船塢

大部分人都知道原子由原子核與核外電子構成，而且原子核的質量佔了整個原子的大多數，但具體原子核在原子中有多大，和整個原子比較又如何這確實不容易想象！

原子模型的發展過程

其實問這樣的問題並沒有什麼顯的沒文化這一說，因為回頭看看物理學史許多科學家在這個問題上也是“摸不著頭腦”。

關於原子內部到底是什麼樣的情況，科學家曾提出了多個模型，最早的道爾頓模型認為原子就是一個實心球！連原子核的概念都沒有，就不用討論這個問題了。

隨後他的學生進一步將其完善形成了現在我們中學物理所學的波爾模型！

原子核與整個原子相比

接下來我們的討論就建立在電子雲模型的基礎上！據現代研究表明原子核的體積極小！直徑只有10^-15m~10^-14m，只佔原子體積的幾千億分之一！但是它的質量卻不容忽視，它佔了99.96%以上原子的質量，可以說是個頭雖小但有乾貨呀！

並且原子核的密度也極大，10^17kg/m3相當於一立方米可以裝下一百萬億噸的原子核！！！其實也能想象畢竟是強相互作用將其“壓”到一塊的！

說了這些數據你會發現它與太陽在太陽系的情況十分相似，太陽也佔太陽系總體質量的99.86%。所以如果真的要按比例放大縮小的話，原子核在原子的情況就相當於太陽在太陽系的情況！相當於整個大體育館中的一顆彈珠！（可能還要小）

你還有哪些形象的比喻，評論留言讓大家看見你的想法！！

科學認識論

答：就拿氫原子來說，如果把氫原子放大到地球那麼大，那麼氫原子核直徑也就200米左右，原子核與核外電子之間是非常空曠的。

原子由核外電子和原子核組成，氫原子是最小的原子，它的原子核中只有一隻質子，質子的經典直徑約為1.7*10^-15米，而氫原子直徑約為10^-10米，兩者直徑相差近6萬倍，體積相差100萬億倍。

這是一個令人吃驚的結論，如果把20平米的客廳比作氫原子，那麼氫原子核只相當於一粒PM2.5顆粒，肉眼都看不到；即便如此，相鄰原子間的相互作用還是非常強，要知道電磁力可比萬有引力強10^36倍。

原子核與核外電子之間非常空曠，由於原子核帶電，所以其他原子核很難靠近；但是對於不帶電的中子，就很容易穿過原子核與核外電子之間的空間，這也是核輻射中，中子輻射很難屏蔽的原因。

如果我們繼續剝開原子核，會發現質子又由3個夸克組成，單個夸克的直徑在10^-18米數量級，又比質子直徑小一千倍，所以在原子核內，還有著更空曠的空間。

不與核子參與強相互作用和電磁相互作用的基本粒子，就可以在原子內輕鬆穿過，比如中微子的穿透能力非常強，就是這個原因。

據估計，100億個中微子穿過地球，大約只有幾個能被地球吸收，每秒都有上萬億個來自太陽的中微子穿過我們身體，但是我們一點感覺都沒有。

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艾伯史密斯

原子核比原子小多少，如果把原子比做地球，原子核會有多大？

簡單的說原子內部比例實在是太浪費了，原子核和原子的比例簡直如一個體育場中央的足球，也許這個比例仍然不足以表現原子核的大小，但足以說明原子內部空間是極其浪費的！

經典的原子內部結構模型，這個模型只能表現原子核，卻無法表現原子內部的電子，因為電子的並沒有如此規矩軌道，而是以一片概率雲的模式存在！

比如像這樣才是真正的電子運動模式，你看到電子軌道了嗎？那些想象微觀世界又是一個宇宙的朋友們找找行星是這樣的模式運行的嗎？說了那麼多有的沒有的，那麼原子核的大小是多少呢？

原子差不多是原子核的10^4和10^5倍大小，地球的直徑是12742公里，那麼按圖示的尺寸比例就是127.4M和1.27KM之間，也就一座比較大的體育場大小！那麼這座體育場中間就沒有別的東西了嗎？當然還有！

原子核內部的結構，還有質子和中子，往下還有夸克！

還有上夸克下夸克，之間還有膠子！

儘管看起來原子核在原子中質量佔比的比例與太陽系中太陽的比例類似，但這兩者卻不能混為一談，本就是宏觀世界和微觀世界的區別，很多朋友卻將其無限擴大，比如宇宙是一個巨大的生物，或者說原子內部又是一個世界等等論調都是完全錯誤的！

星辰大海路上的種花家

原子的內部是極其空曠的，原子核只佔據了原子內部體積的很小一部分，原子大小的數量級為10^-10m，而原子核大小的數量級為10^-14m～10^-15m，也就是說，原子核的直徑僅僅有原子直徑的萬分之一。

原子核位於原子的核心部分，由質子和中子兩種核子組成。原子核外是高速運動的電子，這些電子圍繞中心的原子核運動，原子核的大小主要是由最外層電子層的大小決定的，所以原子的內部空間幾乎都是空的，但是卻會被電子佔據。

原子核集中了原子的大部分質量，超過99.6%的質量都集中在原子核上，但是原子核體積卻不大，原子核的體積僅有原子的一萬億分之一。如果把原子比作地球的話，地球的平均半徑為6371千米，直徑約為1.2萬公里，那麼原子核的直徑僅僅有1.2公里，實在是微不足道。

原子的組成方式和太陽系有著類似之處，在太陽系中，太陽的質量佔到了99.86%，地球的質量僅僅有太陽的33萬分之一，甚至還比不上電子與原子核的質量比。記得初中的課本上是這麼描述的:如果把原子看做是一個標準的棒球場的話，那麼原子核就好比是一隻趴在場中央的螞蟻。可見對比之懸殊。

原子核的密度也是很大的，其密度為10^17Kg/m³，也就是說一立方米的體積可以裝得下質量為一百萬億噸的原子核，這也就是為什麼中子星的密度如此之大的原因了。

鏡像科普

看了那麼多，就是沒公式。這不起眼的問題，若按愛氏相對論與哥派量子論——無解。

以氫原子為例，計算原子、電子&質子的半徑比較簡單；但計算原子核半徑，鮮為人知。

電子半徑r(e)，=電子自旋半徑

電子以光速自旋，電子激發的真空場引力，按牛頓第二定律：F=mc²/r(e)...(1)

電子繞旋質子，切割質子磁力線，產生的電動勢，按庫侖定律：F=ke²/r(e)²...(2)

根據超對稱：mc²/r(e)=ke²/r(e)²，電子半徑：r(e)=ke²/mc²=2.82×10⁻¹⁵m。

氫原子半徑R(e)：=電子進動半徑

電子繞核主控速度：v=2.2×10⁶m/s，即基態速度：v=αc...(3)，α=1/137。

電子繞核主控動能：E=½mv²..(4)，這個動能由公式(1)電子引力場供應。

電子引力場還提供電子切割質子磁力線產生電動勢：U(c)=ke²/R(e)...(5)

按超對稱：½mv²=ke²/R(e)，有：R(e)=2ke²/mv² =5.29×10⁻¹¹m。

質子半徑r(p) ：=質子自旋半徑

質子場勢能：F=Mc²...(6)

電子切割質子引力場的磁力線，產生電磁力，即：F=ke²/r(p)...(7)

這裡有兩個必有一錯的解答：

①若質子引力勢=電荷電動勢， mc²=ke²/r(p) ...(8)，有：r=ke²/mc² =1.53×10⁻¹⁸m（正確）

②若場引力=庫侖力mc²/r(p)= ke²/R(e)²...(9) 則：r(p)=R(e)²/ke²mc²=8.1×10⁻¹⁶m（錯誤）

質子半徑必須比原子核半徑小三個數量級。才能保證有足夠震盪空間。這也符合天體邏輯，中子星密度很大，半徑只有數十千米。

有人說，核子半徑0.88費米，原子核半徑為1費米，竟然幾乎相等，核子怎麼進動呢？例如，鈾238，有238個核子，難道就擠作一團麼？

質子震盪速度

質子旋進的動量：p'=Mv'，電子繞核的動量：p=mv，

根據動量守恆：v'=mv/M：v'=250m/s。

原子核半徑r(n)：=質子震盪半徑

繆子質量：m*=1.884×10⁻²⁸kg，繆子場勢能生產e⁺與μ⁻電動勢：m*c²=ke²/r(n)，

原子核半徑：r(n)=ke²/m*c²=1.36×10⁻¹⁵m。

可見：原子半徑R=5.29×10⁻¹¹米，原子核半徑r=1.36×10⁻¹⁵米，半徑比=R/r=3.9×10⁴倍。

計算地球體積

地球平均半徑：R'=6.4×10⁷米，設題目所求縮小的半徑為r'，有：R'/r'=3.9×10⁴，

地球縮小半徑：r'=6.4×10⁷÷(3.9×10⁴)≈1.6千米。相當於三個天眼(500×3)的半徑。

小結：如果我們承認加速度定律a=v²/r，那麼，基本粒子就必有自旋半徑、進動半徑。

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物理新視野

對於原子而言，原子核之外還有電子，原子核要比原子小得多。不同的元素，包含了不同的質子、中子和電子，所以它們的大小也是不一樣的。另外，原子的半徑依據不同的定義，比如玻爾半徑、範德華半徑，也有不同的大小。下面以氫原子為例做個簡單說明。

氫原子的玻爾半徑約為5.3×10^-11米，即0.053納米。氫原子核（即質子）的半徑約為8.8×10^-16米，即0.88飛米。對比可知，氫原子的玻爾半徑大約是原子核半徑的6萬倍。

假如氫原子大如半徑約為6400公里的地球，那麼，原子核的半徑也只有107米，這個長度相當於35層樓的高度。如果在遠處用肉眼看地球，比如在400公里外的太空中，根本就看不到放大後的原子核。要知道，即便是海拔超過8.8公里的珠穆朗瑪峰在太空中看起來也只是地球上的一塊小疙瘩。

雖然原子核相比原子的尺度要小得多，但由於質子和中子的質量高達電子質量的1800多倍，所以原子的質量幾乎全都集中在原子核上。以氫為例，氫原子核的質量佔到了氫原子總質量的99.95%。

火星一號

原子雖然是組成元素物質的最小單位，但它裡面也是非常空曠的，如果把地球看成一個原子的話，那麼原子核通常也就相當於一個摩天大樓那麼大，電子則大約只有棒球那麼大（通常表現為電子雲狀態）。

物理學家們通過觀測發現原子的大小數量級為10^-10（10的-10次方）米，但原子核大小的數量級則為10^-15（10的-15次方）米，相差5個數量級，不過這個數值也並非固定的，不同的元素的原子會有一定的幅度浮動，其原子核的浮動範圍在10^-14到10^-16米之間，我們都知道我們地球的直徑為12742公里，那麼我們取中間的數值將其減少五個數量級，就成了127.42米，其浮動幅度範圍在1274.2米和12.742米之間。

這也就是說，如果把原子體積形容為一個地球那麼大，那麼原子核的大小頂多只有直徑一公里左右，小的話僅相當於一座五層樓房，而電子的體積大概就在棒球到直徑一米的球體之間。除此之外就是虛無的，由此我們也可以看到，原子的內部空間有多麼的空曠了。

如上都是體積上面的比較，其實質量上面的比較更科學一些，通常在一個原子之中，原子核的質量會佔到99.9%，電子的質量則只有0.1%左右。那麼這樣看起來的話，其實一個原子就好像我們的太陽系一樣。

在太陽系中，太陽的質量佔到了99.86%，其他的可見物質只佔了0.14%，這幾乎就是一個標準的原子質量模型，而我們的地球只有太陽的33萬分之一，這還比不上原子核與電子的質量對比，但考慮到太陽系還有其他七大行星以及一些矮行星等，那麼質量的比例也就近似於原子核與電子的比例了，這樣來看的話，宇宙萬物中的一些現象也有相通之處呀。

科普大世界

原子與原子核大小相差很多，有點像我們太陽系，太陽在中間只佔那麼一小點空間，卻有半徑一光年的巨大引力場（奧爾特云為邊際），而太陽卻佔有整個太陽系質量的99.86%，所以常常有人把原子與太陽系運行打比，認為這個世界從微觀到宏觀都是一樣的。

其實微觀世界的運行與天體宏觀運行規律並不一樣，所適用的作用力也不一樣。

宏觀天體適用萬有引力，在太陽系，所有的天體都在太陽引力作用下，圍繞著太陽公轉；而現代量子力學認為，電子圍繞著原子核運行並不是經典物理學描述的那樣，在不同層級高速旋轉，而是以電子雲的形式，概率的出現在環繞著原子核的靜電位勢阱中，具有波粒二象性，質子與電子相互吸引主要適用電磁相互作用力。

但原子核與原子本身所佔有的空間比例差距也是很大的，原子大小直徑約在10^-10米，原子核的直徑為10^-15~10^14米，也就是相差1萬到10萬倍。而太陽系直徑與太陽直徑之比卻相差1300多萬倍。

因此，從大小比例上來說，原子與原子核之比與太陽系還是差了兩到三個數量級的。但如果按質量比來算，原子核只是原子體積的萬億到千萬億分之一，但原子核卻佔據了整個原子質量的99.9%以上。從這一點來看，原子倒也有些太陽系的風範。

關於原子與原子核的比例，已經有過很多討論。什麼黃豆大小、花生米大小五花八門，無非是一道簡單的數學題。現在這個把原子比作地球，原子核有多大呢？這個比例一算就出來了。

原子核直徑約為原子的1萬~10萬分之一，那麼我們取一箇中間值，5萬分之一吧。我們地球直徑為12756公里，如果這個原子有地球這麼大，那麼原子核就相當於一個約255米直徑的球，也就是一個體育場大小的球吧。根據原子或原子核大小差異，這個球直徑也許在128米到1276米之間。

這樣弄一下各位對原子核和原子的比例瞭解會更直觀了，還是更糊塗了？大家覺得有意思嗎？

就是這樣，歡迎大家討論。

關鍵字: 科學 科普一下 原子核