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？
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。
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。
假设我们将一个原子放大到足球场的规模，那么电子将位于看台上，而原子核又会处在何方？一个黄色的箭头指向草坪，难道原子核真有草坪般大小吗？
显然并非如此，因为原子核的体积实在微小，在体育场中，它的大小不过一颗绿豆。所以在地图上标出它几乎是不可能的。在看台上找到电子就更困难了，它们甚至比座椅上的尘埃还要细小！
从这一点来看，原子的内部空间确实令人难以置信的空旷。
实际上，组成万物的原子的直径大约在10的负10次方米的量级，例如，我们最常接触的碳原子的直径为182皮米（皮米相当于一米的万亿分之一），也就是1.82×10的负10次方米，一个C-12原子的质量只有1.993×10的负26次方千克。
原子的质量主要集中在它的原子核，确切地说，是集中在质子和中子上。因此，为了强调原子核的重要性，我们通常将其描绘成如下形象：
在日常见到的原子模型中，原子核被描绘成一颗大球，它在原子的中心显著地突出，而电子则环绕其周围运转，宛如行星环绕太阳旋转。
类似的图像实际上都是错误的。如果你在任何一张A4纸上绘制原子，原子核几乎小到无法察觉，而电子更是无从寻觅。原子核的体积仅占原子体积的万亿分之一，也就是说，在原子内部，除去原子核外的99.99%以上都是空的，然而正是这微小的原子核，却集中了原子99.96%的质量。
原子虽然小，并且看起来非常空旷，但它们并非虚无。
在原子核和电子之间似乎存在着广阔的空间，这个空间中又包含了什么？
至少在原子核中有一个质子，而除了氢的氕同位素外，其他元素的原子核还会包含中子。中子对外不带电，质子则带正电，因此原子核整体上带正电。
正电性的原子核周围围绕着强大的电场，而带有负电的电子也有自己的电场，它们围绕原子核运动，在原子核与电子之间，主要是通过静电力相互作用。
电子的质量极轻，只有9.11×10的负31次方千克，它们在原子这个微小的尺度内以接近光速的速度运动，因此从外部来看，电子似乎是随机出现在原子的外围，它们并不会像行星环绕恒星那样沿着圆形或椭圆形的轨道运行，其轨迹更像是一团云雾，因此被称为电子云。
氢原子的电子云就像一团浓密的雾气，它表明电子可能会在任何位置随机出现。
我们并不完全了解电子的运动路径，但科学家们通过实验证明，围绕原子核运动的电子都有它们自己的特定轨道，并且这些轨道呈现出一定的规律性。
不要误以为原子核与电子轨道之间的空间是空虚的，你可以随意穿行，事实上，当电子占据了它们的轨道之后，就在原子的外层形成了一层或几层无形的“壳”，这层“能层”（也称作“壳层”）将除了不带电的中子和中微子之外的其他物质屏蔽在外。
这就是原子看似空虚却又坚硬的原因。密集的原子核拥有强大的电场，它吸引电子在其周围形成一层无形的坚硬外壳，除非将其投入恒星中心或核聚变反应堆中，否则我们无法穿透原子的壳层。
密集的原子核占据了原子99.96%的质量，它的密度约为每立方米10的17次方千克。如果你能在1立方厘米大小的空间中装满原子核，它的重量将达到1亿吨！
除了氕之外，其他元素的原子核都由质子和中子组成。
原子核中的质子数量被称为原子序数，它决定了原子的性质；而中子则是原子核的“稳定剂”。在原子序数低于20的情况下，原子核中的质子和中子数量大致相等，无论中子多还是少，原子核都不稳定，它具有放射性，会通过衰变和能量释放来达到稳定状态。但当原子核中的质子数量超过20时，它需要更多的中子来帮助稳定。
原子核内部并不空虚，质子之间以及质子与中子之间被强力紧紧地拉在一起。质子的静质量约为1.672623×10的负27次方千克，是电子质量的1836倍；中子的质量与质子相近，约为1.6749286×10的负27次方千克，约为电子质量的1838倍。我们不能简单地将质子和中子的质量相加来计算原子核的质量，实际上原子核的质量要小一些，这是因为一部分的质量转化成了核子间结合的能量。
正如前文所述，质子带正电，拥有电场，两个质子由于电荷相同会相互排斥，那为什么它们能在原子核中紧密地结合在一起呢？
这是因为核力在起作用。
两个质子或两个原子核之间由于同种电荷的排斥力而相互排斥，这种排斥力就是静电力。静电力非常强大，它为质子划定了势力范围，我们称之为库仑势垒。如果想要把两个质子结合在一起，就需要巨大的力量来克服这个库仑势垒。
然而一旦两个质子接近到2.5飞米（等于一千分之一皮米）的距离时，核力就会迅速起作用，将质子紧紧拉在一起，并释放出巨大的能量，这种能量来自质子的质量转换。核力是一种强力，比静电力强大137倍，能确保原子核的稳定，防止其解体。
根据量子理论，原子核内部的结合力是由核力提供的，核力是一种强大的相互作用力，由介子提供，而介子则是一种夸克组合。
质子和中子由夸克构成
科学家们通过强大的粒子对撞机撞击微观粒子后证实，质子和中子仍可进一步分割，它们由一种名为“夸克”的微观粒子构成。
与电子类似，夸克也是更小的基本粒子，并且具有质量。科学家们目前共发现了6种不同的“味道”的夸克，它们分别是上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、顶（t）和底（b）夸克。每一种夸克的质量都不同，其中上夸克质量在1.7 - 3.3（ MeV/c²）之间，它带+2⁄3的正电；下夸克的质量在4.1 - 5.8（ MeV/c²）之间，它带-1⁄3的负电。
通常两个上夸克与一个下夸克结合成质子，而一个上夸克与两个下夸克组合则形成中子，质子与中子又被称为重子。质子与中子的电性质由夸克的电性质决定，从夸克角度来看，中子并不是不带电，只是对外显示电中性。
两个上夸克与一个下夸克组成了质子。
夸克之间并不相互吸引，是另一种基本粒子“胶子”将夸克拉在一起结合成质子或中子。胶子没有质量，但它负责在夸克间传递强力，从而将夸克拉在一起。量子物理学认为夸克无法单独存在（夸克禁闭），因此胶子虽然与光子一样无质量，也无法达到光速，因为它必须与夸克共存。
而将质子、中子拉在一起形成原子核的介子，则是由一对正反夸克组成。
夸克还能不能再分？
目前没有实验证明夸克还能分成更小的粒子，但科学家们认为夸克应该是有层次的，这决定了夸克拥有不同的“味”、不同的“色”以及不同的质量。或许在未来的某一天，我们能够确定夸克能够被进一步分割，这不仅需要理论支持，还需要科学实验的结果来验证。
到目前为止，科学家们已经证实的基本粒子包括：
6种夸克：上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、顶（t）和底（b）夸克；
6种轻子：电子、 μ子、 τ子、电子中微子、 μ子中微子和 τ子中微子；
四种规范玻色子：光子、胶子、w和z玻色子
以及被称作“上帝粒子”的希格斯玻色子。
总结：
一、我们了解到原子内部的结构，原子核与核外电子都是具有质量的实体粒子，尽管非常“空旷”，但强大的静电场决定了原子内部巨大的空间是“不可侵犯”的。
二、原子核内的强相互作用力会将质子与中子拉在一起，要做到这一点并不容易，你需要付出极大的能量去克服静电力造成的库仑势垒；而一旦两个质子足够接近时将引发核聚变，原子核的改变会伴随着强大能量的释放。
三、在物质结构的神秘层面，质子与中子被发现由更基础的粒子——夸克所构成。它们之间通过胶子所传递的强大力量紧密结合。类似地，原子核中的核子也存在一种结合力，这是由于介子在它们之间传递强大力量，而这些介子由正反夸克对构成。
四、现代科学表明，原子并非空无一物。实际上，构成原子的绝大部分基本粒子均具有可测量的体积与质量。原子被揭示为质量与能量的共存体。最新的实验数据甚至挑战了以往对光子的认识，表明那些一度被认为质量严格为零的粒子，其实也拥有质量，尽管其静止质量微小至1.2×10^(-51)克以下。这一发现佐证了构成我们所见宏观世界的一切物质都是真实的三维存在，而并非由一维的“弦”的震动或能量模式所构成的虚无缥缈的宇宙。
五、科学的疆域里，推理与想象占有一席之地，但科学同样要求与现实的可验证性相结合。仅仅依赖计算、推理与想象，并不能成立为科学理论。直到目前为止，各种如“弦理论”、“十维时空”、“膜世界”、“多元宇宙”以及“宇宙由能量形成”等观点，虽然迷人，却都停留在数学推演的范畴，缺乏任何实验或观测的实际证据来支持它们是真实存在的理论。
有些人将“弦理论”奉为万有理论，但遗憾的是，它从未得到实验验证。
因此，不论是基于传统物理学或量子力学，不论是对微观粒子的探索还是对宏观世界的观测，都强烈表明我们所在的宇宙是一个物质的、四维的并且真实的存在。
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