真实的原子模型

一提到原子，很多人想到的是类似于太阳系那样的原子模型，电子像是行星一样在外围，中心有个原子核，而且这个原子核还真的不小。

实际上，原子的真实面貌与大多数人想象中的是完全不一样的。

上世纪初，科学家卢瑟福就开始着手研究原子结构。他用α粒子轰击金箔，结果大多数的α粒子都穿过了金箔，有少数的α粒子发生了较大的偏折，极其小数的α粒子偏转角度超过了90度，有的甚至是直接180度角反弹回来。

那卢瑟福的实验能说明什么呢？

这个实验告诉我们，原子是很空旷的，并且并不存在一层外壳包裹着；除此之外，原子核远比我们想象中的要小得多。如果我们把原子看成像足球场那么大，那么原子核大概也就是一只蚂蚁那么大。那么问题就来了，原子明明是空空如也，为什么原子构成的万物都实实在在？

四大基本相互作用

要搞清楚这个问题，我们就得先来了解一下宇宙中的四大基本相互作用。上世纪，科学家发现，在宇宙存在着四种基本相互作用，分别是强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用。那它们有什么用呢？

我们所处的宇宙是一个物质主导的宇宙，构成物质的基本单位是基本粒子，比如：夸克、电子、中微子等等，这类粒子也被称为费米子。如果把一坨基本粒子放一起，它们是很难构成物质的。这就需要有粘合剂，而相互作用起到了粘合剂的作用。不同的相互作用的作用范围不同，强度也不同，起到了不同的粘合剂作用。

强相互作用和弱相互作用确保了原子核结构得以形成。电磁相互作用确保了原子结构得以形成；引力相互作用则是物质之间相互吸引的作用力。那么问题来了，四大基本作用是通过什么样的方式实现的呢？

科学家发现，它们依靠的是另外一种实实在在的物质，我们把它们叫做：场。最被人所熟悉的场应该就是电磁场了。电磁场可以传递电磁相互作用。

如果场是一种物质，那么场应该也有自身的基本粒子，我们把这种粒子叫做玻色子。电磁场对应的玻色子就是光子。也就是说，电磁力是依靠传递光子来实现相互作用的。同理，强相互作用是依靠胶子来传递作用的；弱相互作用是依靠W玻色子和Z玻色子来传递作用的。

以上我们说的这套理论被称为粒子物理标准模型，这个模型目前已经统一了电磁相互作用和弱相互作用，部分统一了强相互作用。在这个理论中，科学家还假设了引力子是传递引力相互作用的玻色子，只不过"引力子的假设还存在很多问题。

多说一句，除了这些玻色子之外，还有一种玻色子是赋予粒子质量的，这个玻色子被叫做希格斯玻色子，也被称为上帝粒子。

原子间的相互作用

了解了这些，我们再来看开头的问题：原子明明是空空如也，为什么原子构成的万物都实实在在？

很明显，原子之间的相互作用必然是电磁相互作用，这是因为原子核外是存在着电子的。所以，本质上应该是原子里的电子和其他原子里的电子发生电磁相互作用。

当然，这么说其实并不严谨。这是因为我们还没有说清楚：电子到底是什么状态？

著名的量子力学奠基人海森堡曾经提出一个不确定性原理。这个不确定性原理告诉我们，电子的位置和动量信息是无法同侧测准的，如果你测准了位置信息，就测不准动量信息，测准了动量信息，就无法测准位置信息。那这个理论有什么用呢？

这个理论告诉我们电子在原子核的状态和宏观物体是不同的，它是呈现电子云的形式。具体来说就是，电子出现在原子核外的任意位置，我们只知道它出现在某个位置的概率，但我们无法同时知道它的位置和动量信息。你可以理解成电子无处不在，同时存在于任意位置。

也就是说，原子间的相互作用实际上是原子核外的电子云之间的电磁相互作用，同时它们要满足泡利不相容原理，说白了就是电子需要按着某种规则排排坐，状态不能重叠。这就使得原子即便是空空如也，也不会彼此穿过，原子才能构成物质。