最后更新：2013年10月19日

原子的尺寸

原子的大小 — 自20世纪90年代以来，借助扫描隧道显微镜，人们得以观察并操控材料表面的单个原子。为生成此类图像，显微镜的极细探针在材料表面上方数纳米处扫描，并施加恒定电压。当探针掠过原子轨道时，能够记录流经表面的隧道电流的微小变化。在材料表面，仅有少量电子通过量子力学中著名的隧道效应穿越势垒。显微镜随后测量这一电流，以约0.1纳米（即1埃，相当于原子尺寸）的分辨率精确还原表面形貌。图片来源：STM图像库·蓝色镍表面

看见原子！

原子是化学元素的最小粒子；它由一个原子核及围绕其运动的特定数量的电子组成，氢有1个，碳有6个，铁有26个，铀有92个，等等。

正是电子之间因其惊人的量子特性而产生的相互作用，造就了自然界中丰富多样的元素。自然元素的组织方式由元素周期表（或称门捷列夫周期表）呈现，该表将所有天然及人工化学元素按原子序数（质子数）递增顺序排列，并根据其电子构型进行系统分类。

电子的世界属于原子的量子世界，即微观世界。在1克物质（如碳12）中，约有≈10²²个原子。自1811年起，人们便已知晓原子的大致尺寸。阿梅代奥·阿伏伽德罗（1776-1856）估算其大小为1埃，即10⁻¹⁰米。一个世纪后的1911年，欧内斯特·卢瑟福（1871-1937）明确了原子的结构，并给出原子核的尺寸约为10⁻¹⁴米。可以说，原子之间相隔数埃的距离。

电子云

自20世纪20年代量子力学诞生以来，电子不再被描述为围绕原子核规则运行的物体。如今我们知道，电子的运动与行星的运动截然不同。在量子力学中，电子并不遵循单一轨迹，而是存在于原子核周围的某个区域——即所谓的电子云或原子轨道中。

电子的轨道可以根据原子的性质呈现出不同的特征形状。例如，氢原子的轨道呈球形，氧原子的轨道呈两个水滴的形状，铁原子的轨道则呈四个水滴的形状。原子轨道的这种形状决定了原子的大小。原子核周围电子云的直径，即整个原子的直径，约为0.1纳米，即十亿分之一米的十分之一。原子非常小，以至于在一毫米内可以排列1000万个原子。

然而，原子的电子云并不具有明确的尺寸，因为它是具有概率性质的原子轨道的叠加。因此，原子的大小既没有单一的定义，也无法精确测量，因为这一原子空间区域的形状取决于电子的能量及其角动量。

原子大小的概念

科学家定义了一种理论原子半径，即相互键合原子核间平均距离的一半。尽管该距离因原子性质而异，但可针对每个原子核计算其原子轨道的尺寸。

原子的大小取决于电子数量，更确切地说，取决于外层电子所占据的原子轨道，这些外层电子受原子核的束缚远小于内层电子。原子中电子层（量子能级）越多，外层轨道延伸范围就越大——换言之，原子轨道的叠加会增大原子尺寸，因为外层电子受原子核的束缚越来越弱，自由度更高。然而，内层电子越多，原子核的吸引力就越强（因为质子数量增加，正电荷增多）。这种特性（质子数量）会通过将带负电的原子轨道（电子的负电荷）拉近原子核，从而限制其空间延展范围。

一些理论原子半径的大小：氢 53 皮米（10⁻¹² 米），碳 57 皮米，氧 48 皮米，钙 94 皮米，铁 156 皮米，铜 145 皮米等。

世界上最小的电影

得益于扫描隧道显微镜，人们能够观察并操控材料表面的单个原子。IBM公司曾用铁原子在铜板上制作出世界上最小的影片。

在这部纳米薄膜中，每个亮点都是一个原子，在屏幕上占据12个像素。亮点周围产生振荡的连续小波并非薄膜的缺陷，而是电子波。这些弗里德尔振荡并非偶然现象，而是揭示了原子的量子本质——既是粒子也是波。这些振荡的形状构成了电子的真实身份证明。

该纳米薄膜尺寸为52个原子（铁）乘以32个原子，即约8纳米乘以约5纳米。在1毫米的长度上，可并排放置10,000个如此大小的薄膜。每张图像均由扫描隧道显微镜的针尖在接近绝对零度几度的条件下生成；它也是世界上最冷的薄膜。

原子的尺寸

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电子云

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