原子和原子核内部

根据定义，稳定的原子呈电中性，即净电荷为0。汤姆逊发现电子，暗示着原子内部必须存在与电子所带负电荷量恰好相等的正电荷。20世纪早期，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）领导了一系列研究电荷这种存在形式的实验。出生于新西兰的卢瑟福当时在英国工作，这位杰出的科学家对精巧复杂的理论十分排斥。与预期相反，卢瑟福在实验中发现原子所带的全部正电荷以及它的绝大部分质量都集中在原子中心的一小块区域内，用他的话说，“就像阿尔伯特音乐厅里的一个小飞虫一样”。这个小飞虫就是原子核（atomic nucleu），它较之原子尺寸有多小，可通过如下事实看出：前文提到的字母“i”上的小点至少要被放大到直径5 000千米，我们才能用肉眼直接看到当中的原子核。

受卢瑟福的实验启发，丹麦理论物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）构建出了一种原子的“行星”模型。在这个模型中，原子核相当于“太阳”，电子则相当于“行星”，电子在很远的距离上围绕原子核运行。与太阳系中被引力束缚在各自轨道上的行星不同，在原子中是电磁力约束着电子。尽管这种类比经常被用到，但它在细节上并不准确：太阳直径与地球绕太阳公转轨道直径之比是原子核直径与原子直径之比的100倍。也就是说，原子中空旷之处的占比要比太阳系内大得多。

玻尔借助新兴的量子理论思想构建了他的原子模型。玻尔原子模型能够解释原子为什么是稳定的。这一点很重要，因为量子物理学和经典物理学都要求在圆形轨道中运动的带电粒子不断以辐射的形式发出电磁能量，在这个过程中，带电粒子也在失去能量。如果这样的过程持续下去，电子运动的轨道半径会越来越小，最终失去全部能量并导致原子坍缩。当然，这一过程并不缓慢。例如，氢原子在这种情况下的寿命将不足1秒。而没有稳定的氢，就不会有我们所生活的宇宙。作为改进，玻尔假定电子在固定的轨道上绕原子核运动，只在由一个轨道跃迁至另一个轨道时才辐射能量。这样的跃迁成功地解释了为什么被加热的原子仅在某些特定的波长上发出电磁辐射，而不会形成连续的辐射谱。

玻尔构造他的原子模型时，原子物理学尚在襁褓之中，现代量子理论也不再认为电子以能够被明确定义的速度在确定的圆周轨道上围绕原子核运动。有关量子概念的介绍请参阅阿拉斯泰尔·雷（Alastair Rae）的《人人都该懂的量子力学》（ Quantum Physics ： A Beginner’s Guide ） 。尽管如此，在经过适当的修改后，玻尔原子模型中尺寸极小的带正电荷的中心原子核和它周边围绕着的带负电荷的电子云仍然是我们理解原子结构乃至学习化学和生物学的必要基础。基于以上原因，我将继续在后文中使用电子轨道这种简单明了的说法。

最简单的原子是氢原子。在玻尔原子模型中，氢原子由原子核和围绕原子核运动的单个电子构成，原子核必须带有一个正电荷以保证原子整体上呈电中性。该模型中的原子核内包含一个“质子”。质子比电子重约2 000倍，等效半径约为10 ^-15 米。为确保原子的电中性，科学家最初认为更重的元素仅是由不同数量的质子和围绕它们的等量电子所构成的。然而，在1932年，英国物理学家詹姆斯·查德威克（James Chadwick）发现了原子核的另一种组分。新发现的这种粒子被称为中子（neutron），它不带电，比质子重大约0.1%。查德威克的发现并不出人意料。因为，卢瑟福早已推断出，原子核内一定包含质量与质子相似的电中性组分，他甚至起好了“中子”这个名字。质子和中子统称为核子（nucleon），它们是更广泛的一类粒子——重子（baryon）的成员。重子是当时已知最重的粒子，希腊语中“baryon”一词意为“重”。我们会在后面的章节提到其他重子。

中子的发现在了解原子核的过程中至关重要，其中也包括具有放射性的原子核。例如，在β衰变中，原子核中的核子（质子或中子）会相互转化。你或许觉得很奇怪，既然中子比质子重，质子为什么还能衰变成中子？能量守恒定律使这一过程看起来不可能实现。未结合在原子核中的自由质子确实无法做到这一点，但结合在原子核中的质子在某些情况下是可以转化为中子的。将原子核中的核子结合在一起的力可以给质子提供额外的能量，当最终形态的原子的总能量低于初始原子的总能量时，就会发生β衰变。这一结论同样适用于结合在原子核内的中子。此外，自由中子也总能衰变成质子。 Lq9KV6t9W7BAzonUyp3+6LFEkgciTvVztkhhNivlAo6YdA6YI3J/qXbMdiKs41bD