54　什么是原子和原子核

我们生活的世界是由物质组成的，而所有的物质都是由原子构成的，原子是构成物质的最基本的粒子。

◎看不见的原子

我们可以看到的所有的物质都是由原子构成的，那么原子究竟是什么呢？

我们想象一下气球、载人气球或者飞艇，它们的内部充入了氦气。去公园游玩的时候，想必大家都看到过时不时就飞到天上去的气球吧。氦气这种气体非常轻，因此可以使气球或者载人气球浮起来。

而且氦气具有沸点特别低的特性。它的沸点是–269℃，具有优良的热冷却性能，因此可以作为冷却剂用于大脑断层成像的MRI（磁共振成像）或利用磁体的斥力使车身悬浮行驶的磁悬浮列车的超导磁体上，是现代科学中不可或缺的材料，被广泛用于各种领域。

构成如此重要的氦气的是氦原子。但原子是我们观察不到的，哪怕是使用现在最先进的电子显微镜，我们也无法详细地观察到单个原子的形状。[1]

◎原子像云一样吗

虽说无法观察到，但综合各种实验事实来看，原子可以看作是像云一样的球状物质。云的特点是轮廓不清晰，雾变浓就形成了云，登山遇到雾时，也无法分清哪部分属于雾，哪部分属于云。原子就类似于此。

构成原子的这种云是由带一个单位负电荷的叫作电子的粒子组成的，因此被称为电子云。电子云的中心存在一个非常小但密度非常大的粒子，叫作原子核。

图9-1　原子

◎原子的大小

原子有像氢原子一样小的，也有像铀原子一样大的，大小不一，但可以认为原子的平均直径大约是10-10米。研究纳米级别的微小物质的技术叫作纳米技术，原子的直径是纳米的十分之一，换算成体积的话，是千分之一纳米。

这样说可能并不够直观，假设原子的大小像乒乓球那么大，按照同样的体积比换算的话，意味着原来的乒乓球将会有地球那么大。

图9-2　原子的大小

如上文所述，原子是由电子云和位于中心的体积小密度大的原子核组成的。那原子核又是由什么组成的？

◎原子核的大小

原子核的直径约为10-14米，与直径为10-10米的原子相比，原子的大小是原子核的104倍，也就是1万倍。假设原子核是直径1厘米的球的话，原子的直径就是104厘米，也就是100米。

简单举例说明的话，假设原子相当于两个东京巨蛋体育馆合并在一起的大小，那原子核的大小就如同棒球投手站立的土墩上放置的弹珠一般。由于原子核的直径是原子的万分之一，按体积计算的话，是兆分之一，大小几乎可以忽略不计。

图9-3　原子和原子核的尺寸对比

但人们发现原子99.9%以上的重量都来自于原子核，也就是说，原子核是密度非常高的粒子。

与此相对，电子云虽然体积庞大，但没有重量（实体），称它为云恰如其分。但对原子反应、化学反应起决定作用的却是这个电子云。原子核不参与化学反应。[2]

◎构成原子核的粒子

众所周知，这个又小又重的原子核其实是由两种更加小的粒子构成的，质子（P）和中子（N）。质子带1个单位的正电荷，重量为1个质量单位。中子的重量也是1个质量单位，但不带电荷。

构成原子核的质子的个数叫原子序数（Z），质子和中子的个数的和叫作质量数（A），A按约定以小写标记在元素符号的左上角，例如235U或238U等。

表示原子相对质量的数值叫作原子相对质量，多数原子的原子相对质量与质量数基本等同。

c|图9-4　原子的构成

图9-5　氦原子（He）

原子拥有与原子序数相同个数的电子。因此，原子的电子云带的负电荷是Z-，与原子核带的正电荷Z+相抵消，原子整体呈现不带电的中性。

原子中也存在质子个数相同，中子个数不同，也就是Z相同，A不相同的原子，这种原子互为同位素。例如235U和238U就互为同位素。

同位素电子个数相同，也就是说电子云的结构、性质相同，所以化学性质也完全相同，因此会发生完全相同的化学反应。但原子核不同，因此原子核反应也不同。

图9-6　氢的同位素

[1]未来也无法观察到，这是因为量子化学的原理决定了我们无法观察到像原子那样小的粒子。

[2]但与核反应堆、核能发电或原子弹、氢弹等这些相关的是原子核。