天文学
在 X 上关注我 在 Bluesky 上关注我 在 Pinterest 上关注我
中文 English Français Español Português 日本語 Deutsch
 
最后更新：2025年10月5日

理解原子：探索其隐藏结构

看见原子：探索原子结构
氦-4原子结构示意图。为便于观察，上图未按实际比例绘制。原子核以粉色显示于中心，周围灰色渐变区域为电子云或原子轨道。氦-4原子核经示意性放大，红色与紫色分别代表两个质子和两个中子，其尺寸为1飞米（即10^-15米）。实际上，原子核（及每个核子的波函数）与原子中的电子一样呈球形。图片来源：公共领域。

原子的结构

我们所看到的一切都由原子构成，许多原子源于希腊语"atomos"（不可分割）。早在公元前4世纪，希腊哲学家留基伯和德谟克利特就提出假说：所有物质都由永恒运动、极其坚固且不灭的微小粒子组成。如今我们对原子有了更精确的认识——它并非不可分割。

自1811年起，我们便已知晓其大致尺寸——阿梅代奥·阿伏伽德罗估算原子大小约为10^-10米。1911年，欧内斯特·卢瑟福明确了原子结构，并给出原子核的尺寸量级为10^-14米。

关于原子的大小，我们常提及原子轨道，即环绕原子核的电子云。这种电子云的理论直径范围从氦原子的62皮米（pm）到铯原子的596皮米不等。物质的本性并不简单，这一微小距离会因周围原子的化学性质而变化。

尽管原子核集中了原子的大部分质量（99.99%），但我们也能知道其质量：对于稳定原子，其质量范围从氢的1.674×10^-24克到铀的3.953×10^-22克。

我们也知道它的组成，内部有一个原子核和一个占据整个原子空间范围的电子云，因为电子云的尺寸比原子核大一万倍以上。更令人惊叹的是，我们甚至知道宇宙中的原子数量，这个数字极其庞大，如果要写出来，需要写一个1后面跟着72个零。

原子的稳定性

经典物理学无法解释原子的稳定性，因为在经典物理学中，带负电的微粒电子与带正电的质子构成了一对矛盾。

在经典物理学中，物质应当消失、湮灭，因为电子绕原子核辐射时会损失能量（根据麦克斯韦理论），因此应当坠入原子核。这意味着在经典理论的框架内，原子的稳定性是无法理解的。

20世纪的科学天才们在1924年解决了这一悖论，这得益于路易·德布罗意（1892-1987）的波动力学，该理论于1926年由埃尔温·薛定谔（1887-1961）推广，薛定谔与保罗·狄拉克（1902-1984）因被称为薛定谔方程的波动方程共同获得1933年诺贝尔物理学奖。

在量子力学中，不进行测量就无法确切知道某个参数的值。数学理论描述状态时，并非通过精确的速度和位置组合，而是通过波函数（状态向量），它可以计算粒子出现在某一点的概率。由此产生了量子力学的概率性质，该理论预言粒子同时也是波，而不再仅仅是物质点。

电子通过电磁力与原子核相互作用，占据原子轨道；而核子则通过核力被束缚在原子核内部。

电子云在原子核周围分层排列成量子化的能级，定义了电子层和亚层。核子也分布在核壳层中，不过一种相当便捷的模型——液滴模型——使核结构的描述更为普及。

多个原子可以通过其电子彼此建立化学键，通常原子的化学性质由其电子排布决定，而电子排布又取决于原子核中的质子数量。这个数量被称为原子序数，它定义了一种化学元素。

可见的金原子

最接近物质层面，一张纯金（Au 100）薄片的表面在此通过扫描隧道显微镜详细呈现。图像中可见的金原子在金晶体结构上规则排列。这张原子图像由埃因霍温理工大学的Erwin Rossen于2006年使用低温Omicron STM拍摄。

扫描隧道显微镜下观察到的纯金原子图像

原子的大小

某些原子的理论原子半径（计算值），单位为皮米（10⁻¹²米）。原子半径是指相邻两个原子核之间距离的一半。本表所列数值仅供参考。

Theoretical size of atoms in picometers
Size of atoms in picometers (pm)
(1 pm = 10-12 meter)
  size   size   size   size
H  Hydrogen :
number of electron by energy levels 1		 53 Ca Calcium :
number of electron by energy levels 2, 8, 8, 2		 194 Y  Yttrium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 9, 2		 212 Hf Hafnium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 10, 2		 208
He Helium :
number of electron by energy levels 2		 31 Sc Scandium :
number of electron by energy levels 2, 8, 9, 2		 184 Zr Zirconium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 10, 2		 206 Ta Tantalum :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 11, 2		 200
Li Lithium :
number of electron by energy levels 2, 1		 167 Ti Titanium :
number of electron by energy levels 2, 8, 10, 2		 176 Nb Niobium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 12, 1		 198 W  Tungsten :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 12, 2		 193
Be Beryllium :
number of electron by energy levels 2, 2		 112 V  Vanadium :
number of electron by energy levels 2, 8, 11, 2		 171 Mo Molybdenum :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 13, 1		 190 Re Rhenium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 13, 2		 188
B  Boron :
number of electron by energy levels 2, 2		 87 Cr Chromium :
number of electron by energy levels 2, 8, 13, 1		 166 Tc Technetium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 13, 2		 183 Os Osmium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 14, 2		 185
C  Carbon :
number of electron by energy levels 2 ,4		 67 Mn Manganese :
number of electron by energy levels 2, 8, 13, 2		 161 Ru Ruthenium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 15, 1		 178 Ir Iridium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 15, 2		 180
N  Nitrogen :
number of electron by energy levels 2, 5		 56 Fe Iron :
number of electron by energy levels 2, 8, 14, 2		 156 Rh Rhodium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 16, 1		 173 Pt Platinium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 17, 1		 177
O  Oxygen :
number of electron by energy levels 2, 6		 48 Co Cobalt :
number of electron by energy levels 2, 8, 15, 2		 152 Pd Palladium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18		 169 Au Gold :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 1		 174
F  Fluorine :
number of electron by energy levels 2, 7		 42 Ni Nickel :
number of electron by energy levels 2, 8, 16, 2 or 2, 8, 17, 1		 149 Ag Silver :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 1		 165 Hg Mercury :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 2		 171
Ne Neon :
number of electron by energy levels 2, 8		 38 Cu Copper :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 1		 145 Cd Cadmium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 2		 161 TL Thallium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 3		 156
Na Sodium :
number of electron by energy levels 2, 8, 1		 190 Zn Zinc :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 2		 142 In Indium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 3		 156 Pb Lead :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 4		 154
Mg Magnesium :
number of electron by energy levels 2, 8, 2		 145 Ga Gallium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 3		 136 Sn Tin :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 4		 145 Bi Bismuth :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 5		 143
Al Aluminium :
number of electron by energy levels 2, 8, 3		 118 Ge Germanium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 4		 125 Sb Antimony :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 5		 133 Po Polonium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 6		 135
Si Silicon :
number of electron by energy levels 2, 8, 4		 111 As Arsenic :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 5		 114 Te Tellurium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 6		 123 At Astatine :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 7		 127
P  Phosphorus :
number of electron by energy levels 2, 8, 5		 98 Se Selenium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 6		 103 I  Iodine :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 7		 115 Rn Radon :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 18, 8		 120
S  Sulfur :
number of electron by energy levels 2, 8, 6		 88 Br Bromine :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 7		 94 Xe Xenon :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 8		 108    
Cl Clorine :
number of electron by energy levels 2, 8, 7		 79 Kr Krypton :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 8		 88 Cs Caesium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 8, 1		 298    
Ar Argon :
number of electron by energy levels 2, 8, 8		 71 Rb Rubidium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 8, 1		 265 Ba Barium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 18, 8, 2		 253    
K  Potassium :
number of electron by energy levels 2, 8, 8, 1		 243 Sr Strontium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 8, 2		 219 Lu Lutetium :
number of electron by energy levels 2, 8, 18, 32, 9, 2		 217    

本类别探索内容

弦理论：当物理学突破四维时空的边界 弦理论：当物理学突破四维时空的边界
物质核心：质子的隐秘秘密 物质核心：质子的隐秘秘密
电场如何以30万公里/秒的速度传播，而电子几乎不动 电场如何以30万公里/秒的速度传播，而电子几乎不动
物质为何不能穿透物质？ 物质为何不能穿透物质？
磁体：从冰箱小磁铁到磁悬浮列车 磁体：从冰箱小磁铁到磁悬浮列车
从电子自旋到磁性：微型磁体的涌现 从电子自旋到磁性：微型磁体的涌现
自由电子：从碰撞的球体到起舞的波 自由电子：从碰撞的球体到起舞的波
水的反常：宇宙中常见且丰富的分子 水的反常：宇宙中常见且丰富的分子
什么是尘埃？从书架上的灰尘到构建行星的尘埃 什么是尘埃？从书架上的灰尘到构建行星的尘埃
热量与温度：两个常被混淆的热学概念 热量与温度：两个常被混淆的热学概念
电弱力：电磁力与弱相互作用的统一 电弱力：电磁力与弱相互作用的统一
狭义相对论：新物理学的开端 狭义相对论：新物理学的开端
希格斯玻色子：基本力的统一 希格斯玻色子：基本力的统一
量子纠缠：当两个粒子合二为一！ 量子纠缠：当两个粒子合二为一！
五夸克：宇宙拼图的新碎片！ 五夸克：宇宙拼图的新碎片！
为什么稀有气体稀少？ 为什么稀有气体稀少？
布朗运动：两个世界之间的桥梁 布朗运动：两个世界之间的桥梁
阿尔伯特·爱因斯坦1905年的4篇论文 阿尔伯特·爱因斯坦1905年的4篇论文
为什么核聚变需要如此多的能量？ 为什么核聚变需要如此多的能量？
费曼图与粒子物理学 费曼图与粒子物理学
核不稳定性势垒 由于核不稳定性势垒，恒星无法创造比铁更重的元素
阿尔法、贝塔和伽马辐射：理解它们的区别 阿尔法、贝塔和伽马辐射：理解它们的区别
普朗克墙理论 普朗克墙理论
绝对真空是乌托邦吗？ 绝对真空是乌托邦吗？
巨型对撞机：为什么LHC在世界上独一无二 巨型对撞机：为什么LHC在世界上独一无二
强子世界：从LHC到中子星 强子世界：从LHC到中子星
放射性，天然与人造 放射性，天然与人造
纳米颗粒世界：一场无形的革命 纳米颗粒世界：一场无形的革命
薛定谔的猫 薛定谔的猫
永恒暴胀 永恒暴胀
什么是波？ 什么是波？
量子场论：万物皆场 量子场论：万物皆场
量子计算机：科学革命与技术挑战之间 量子计算机：科学革命与技术挑战之间
玻色-爱因斯坦凝聚态 玻色-爱因斯坦凝聚态
物理学中的场概念 物理学中的场概念
从概率云到粒子：量子力学中的电子 从概率云到粒子：量子力学中的电子
什么是熵？走进无序与信息之旅 什么是熵？走进无序与信息之旅
贝塔放射性与中微子：质量与自旋的故事 贝塔放射性与中微子：质量与自旋的故事
时空：空间与时间的统一，理解这个概念 时空：空间与时间的统一，理解这个概念
时间测量：科学与技术挑战 时间测量：科学与技术挑战
物理常数与宇宙常数：万物起源的普适数字 物理常数与宇宙常数：万物起源的普适数字
光谱学，取之不尽的信息源泉 光谱学，取之不尽的信息源泉
宇宙的化学密码：元素的丰度与起源 宇宙的化学密码：元素的丰度与起源
原子的大小 原子的大小
磁性与磁化：为什么有些材料具有磁性？ 磁性与磁化：为什么有些材料具有磁性？
夸克与胶子：夸克禁闭的故事 夸克与胶子：夸克禁闭的故事
量子态叠加 量子态叠加
阿尔法衰变 (α) 阿尔法衰变 (α)
电磁感应方程 电磁感应方程
聚变与裂变：两种核反应，两条能源路径 聚变与裂变：两种核反应，两条能源路径
从古代原子到现代原子：原子模型探索 从古代原子到现代原子：原子模型探索
质量的起源：惯性与引力之间 质量的起源：惯性与引力之间
从原子核到电力：核电站的解剖 从原子核到电力：核电站的解剖
加热一杯咖啡需要多少光子？ 加热一杯咖啡需要多少光子？
看见原子：原子结构探索 看见原子：原子结构探索
量子力学中的量子隧穿效应 量子力学中的量子隧穿效应
物质的12种粒子：在亚原子尺度理解宇宙 物质的12种粒子：在亚原子尺度理解宇宙
原子轨道：原子的图像 原子轨道：原子的图像
原子核的稳定谷 原子核的稳定谷
反物质：反粒子及其能量的谜团 反物质：反粒子及其能量的谜团
什么是电荷？ 什么是电荷？
我们的物质不是量子化的！ 我们的物质不是量子化的！
为什么在燃料电池中使用氢气？ 为什么在燃料电池中使用氢气？
牛顿与爱因斯坦：同一奥秘的两种视野 牛顿与爱因斯坦：同一奥秘的两种视野
质子的质量从何而来？ 质子的质量从何而来？
爱因斯坦的宇宙：相对论引力的物理基础 爱因斯坦的宇宙：相对论引力的物理基础
1905年，寂静的革命：爱因斯坦改写自然法则 1905年，寂静的革命：爱因斯坦改写自然法则
方程E=mc²的真正含义是什么？ 方程E=mc²的真正含义是什么？
波与粒子之间：波粒二象性的奥秘波与粒子之间：波粒二象性的奥秘
水的超临界状态：介于液体与气体之间，第四相？ 水的超临界状态：介于液体与气体之间，第四相？
量子力学与灵性：看待世界的另一种方式 量子力学与灵性：看待世界的另一种方式

1997 © Astronoo.com — 天文学、天体物理学、进化与生态学。
"本网站提供的数据可在注明出处的情况下使用。"
Google 如何使用数据
法律声明
联系作者