原子结构

其实原子核的问题，我们就应该从原子核的角度来思考，要了解原子核，我们就得先来了解一下原子的结构，因为原子核和一般人所想象的还不太一样。

在上初高中时，我们最常见到的原子结构一般是下面这样：

这个模型其实是有问题的，那问题到底在哪呢？

首先，电子并没有特定的轨道，而是呈现概率云的形式。我们只知道，某个时刻，电子出现在某个位置的概率是多少，而无法具体知道它在哪。

其次，原子核的大小也是有问题的。科学家卢瑟福曾经利用α粒子轰击金箔，然后就发现大多数的α粒子都直接穿过去，只有极其少的α粒子的轨迹发生偏折。

通过这个实验，以及后来的科学家一系列的对撞实验，我们知道原子99.999%以上的空间是空心的。原子核其实非常非常小，如果把原子比喻成足球场那么大，而原子核可能只有一只蚂蚁那么大。

所以，问题就来了，为什么原子核会这么小呢？

四大作用

上世纪，科学家就发现宇宙中存在着四种基本作用力，它们分别是电磁力、引力、强力和弱力。同时，他们还发现了100多种粒子。所以，他们一直在思考如何将这些东西整合起来，变成一个大一统的理论。不过，这和我们这次要讲的关系不大，我们这里就不赘述了。

我们就来说说，强力和弱力，他们也被称为强核力和弱核力。这里的“核”指的就是原子核。要了解强力和弱力的作用，我们就得进一步来了解原子核内部的构造。

原子核内有质子和中子，但是质子和中子并不是基本粒子，它们还可以再分，再分下去就是夸克。

而强核力和弱核力实际上都是在原子核内的作用，首先，我们来说强核力。强核力分两种，一种是由胶子传递的强相互作用，它是用来将夸克束缚在质子或者中子中的一种作用力。

还有一种是介子传递的强相互作用，是把质子和中子束缚在原子核内的核力。

而弱相互作用是通过W玻色子和Z玻色子传递的力，它和衰变有关。衰变是指放射性元素的原子核内射出粒子，转而转变为另外一种元素的过程，比如，镭放出α粒子后，就会变成氡。

其实不仅仅强相互作用和弱相互作用，电磁相互作用也被统一到了这个粒子物理学标准模型当中，其中传递电磁力的是光子。除此之外，还有粒子的质量来源，也就是希格斯玻色子。

物理学家正是通过这套理论，建立起了粒子物理标准模型，给上百个粒子找到了归宿，同时也解释了除引力之外的三种作用的机制。至于引力的本质，目前主流的科学理论是爱因斯坦的广义相对论。

通过上文的讲述，我们就可以简单粗暴地来理解原子核的结构，说白了，三个夸克被胶子绑在一起构成中子或者质子，而质子和中子被绑在一起构成原子核。但是我们要知道的是，强相互作用力实际上是四大作用当中强度最大的，但同时它的作用范围很窄。

这个范围大概就是10^-15米左右，正是因为强核力的作用范围很小，因此，原子核才会那么小。但这么小的范围意味着，原子核内的原子核的质子数和中子数不可以无限多。当太多时，就有可能会发生核裂变的趋势。如果太少时，就有核聚变的趋势。那多少是正合适的呢？

实际上，最稳定的原子核是铁原子核。我们也说铁原子核的比结合能最高。

原子序数大于铁元素的原子核就会裂变的趋势，比如：原子弹的原理其实就是高顺位的元素核裂变。

原子序数小于铁元素的原子核就有聚变的趋势，比如：氢弹和太阳内核的燃烧就是氢核聚变。

而你要让铁原子核甚至是原子序数更高的元素原子核发生核聚变反应，那就需要输入大量的能量，而同时释放出的能量极其小，说白了，这就是一笔赔本的买卖。一般来说，我们很难做到这一点，只有在超新星爆炸时，或者中子星合并时才可以，这可以说是宇宙中的奇观了，是很罕见的。

因此，铁元素的原子核是最稳定的元素，之所以会这样，其实是因为核力虽然很强，但是有作用范围的，而且这个作用范围很小，只有10^-15m，只要超过了这个尺度，核力就没有办法起到作用了。