在道尔顿提出原子理论之后的一个世纪里，它依然是一种假说，因为还没有足够的实验和证据来支持这种理论，甚至有一些杰出的科学家还怀疑原子是不是真的存在，他们声称决不会赞同原子理论，除非“亲眼看到它”。在此期间，也就是19世纪的后几年，不同观点的双方甚至进行过声势浩大的论战，好在只是争论得很激烈，没有使用牙齿、木棍和砖头瓦块。但是在进入20世纪之后，形势发生了根本性的转变，突然在一夜之间，原子理论变得合情合理而又无比亲切。这完全得益于一大群科学家和他们的杰出工作，我很容易就能点出他们中的几个人来：爱因斯坦、卢瑟福和汤姆逊，有的你还相当熟悉。

　　原子不是靠你用小刀就能分割出来的，从世界存在的那个时候它就存在了。从人性的角度上，你现在最想知道的可能就是，原子到底有多大？
　　答案是大约等于一毫米的一千万分之一。要想在头脑中对此有个概念，你可以试着将一毫米放大，一直放大到差不多等于笔直修一条从东到西横贯中国的公路。这时，一个原子的直径差不多就等于在这条公路上行驶的汽车的轮子。
　　尽管在原子是否存在的问题上所有人都达成了一致，但原子始终还是没办法看见。人们承认它，只是因为有越来越多的实验表明它肯定是存在的。一开始，人们觉得原子有可能是方的，象砌墙用的砖。这听起来似乎有些道理，因为它能很好地解释为什么象金属和钻石这样的东西竟然有那么高的硬度。然而更多的科学家则倾向于认为它更象一个实心球——一个密度很大的固体。

　　时间过得可真快，到20世纪初，人们就已经普遍知道原子并不是个实心球，它实际上还具有更小的组成部分。原子内部绝大部分都是空的，在它的中央有一个非常微小的核心，由数量不等的质子和中子聚集在一起组成，称为原子核。在原子核的外面，是围绕着它的核外电子，简称电子。如图1.1所示。

日期：2009-02-02　23:37:57

　　说实在的，对于原子内部的世界是什么样子，大多数时间我们只能依靠想象，这的确是一件遗憾的事情。但是就算你能观察到它，那也会觉得它其实没什么意思：它很空旷，尽管它有一个原子核和一些核外电子，但这些东西相对于原子内部的巨大空间来说实在是太微不足道了。那里基本上没有什么东西，没有餐馆、没有网吧，更没有足球比赛和花果山水帘洞（所以就连孙悟空也可能不愿去，虽然依他的神通来说，到这样的地方应该没问题）。你所能看到的，也许只是电子在离你非常遥远的地方呼啸而过——如果那里有风的话。不过那里当然没有风，也不可能有空气，因为在我们的现实生活中，空气和风实际上也是由原子组成的，而你此时此刻正在原子内部逗留访问。

　　按照传统的说法，核外电子们出没的地点不是随意的——至少不完全是。按照传统的观点，它们都沿着各自的轨道围绕原子核旋转。轨道是一条看不见的路线，就象从长春到北京的飞机每次都要飞过的路线一样，尽管你看不见，但是它确实就在那里，就在你的头顶上，这就是轨道。在原子里，电子的轨道是圆形的，以原子核为圆心。
　　我们知道，原子有很多种，光是你现在看的这本书，它所使用的原子起码就有10来种。看起来这并不算多，要是我告诉你迄今为止人类只发现了百十来种原子的话，你可能会更惊讶——要组成这个五彩缤纷的大千世界，原子们真是太能干了。关于原子们能确切地分为多少种，在这个问题上还一直存在争议。在这百十来种里，天然存在的有九十多种，其它的都是在实验室里人工制造的，而且存在的时间极其短暂，有的不超过千分之一秒，以致于有人甚至怀疑它们是不是真的存在过。总之，科学家们废寝忘食地工作，到目前为止也就发现了这么多。至于还有没有，现在还不知道，谁也不敢说。

　　要想知道物理学家和化学家们都是依据什么来给原子们分类，就得了解原子自身的内部结构。对于所有的原子来说，不管它们相互结合起来能形成什么，是木头、糖果、大白菜还是苍蝇，它们在微观上的结构都是一样的，都是由质子、中子和电子共同组成。
　　既然如此，你可能有理由相信各种原子之间之所以彼此不同，是因为构成它们的电子、质子和中子在某些方面——比如大小——存在着差异，就象我们人类，尽管都是“人”，但是有高有矮，有胖有瘦，特别是在脾气秉性方面简直是千差万别。很不幸，这是非常错误的认识。事实上，所有的电子都是一模一样的，而所有的质子和中子也一样，不管它们在什么地方，属于哪个原子。

　　通常，一个原子不同于另一个原子的原因是它们原子核内的质子数不同。比如，组成氢气的氢原子只有一个质子，是所有原子中最简单的；组成铁丝或铁块的铁原子却有56个质子。前面已经说过，目前已知的原子种类有一百多种，这就意味着，就最复杂的原子来说，其质子数有一百多个。
　　原子的另外一个特点是，在单个原子内部，质子和核外电子在数量上相等，性质相反。用物理学上的话说，“电子带负电荷，质子带正电荷”。听起来好象是在说电子和质子的外表还有一层叫做“电荷”的皮，但实际上不是这样，真正的意思是，电子和质子具有两种截然相反的性质，大体上可以认为电子是“男”的，而质子是“女”的，或者反过来。“电荷”不是一种东西，只是一种属性。它只是一个名词，也许物理学家们真正想说的是“电子是男的，质子是女的”。

　　电荷不是“带”上的，它们是电子和质子生与俱来的属性，我们这样说，是因为在很早以前，那些伟大的探索者一时糊涂说了这样的话，而后来的人一直照搬不误。记住，不要再问为什么电子带负电荷而质子带正电荷，就好比你不能问为什么张三是男人而李四是女人一样。
　　电子和质子性质相反的事实决定了它们之间是彼此吸引的，电子就这样在引力的作用下围绕着原子核忙碌着。正是在这种情况下，电子和原子核保持引力均衡状态，这时候的原子是最适合、最完美和最稳定的。
　　不同的原子具有不同的性质和特点。用一本科普书上的话说，“质子数决定了原子的身份，电子数则决定了原子性情。”但是由于我们一般接触不到单个的原子，所以也就无法确切地感受到这一点。
　　我们人类认识事物的方式真是奇特，以致于当说到原子，尤其是意识到原子可能象大多数水果一样是个圆球的时候，我们会很自然地问：原子有皮吗？如果它没有皮或者壳的话，你怎么能知道它是那个样子？
　　原子当然——令人非常失望地——没有皮。我们知道，原子是由核外电子包裹着，而电子们则总是待在自己的轨道里，所以原子的外层边界只能是离原子核最远的那个轨道所在的位置。我们知道，同性相斥、异性相吸，由于电子们都有着相同的属性，所以不可避免地会互相排斥——这也是一种力。这样，当你坐在椅子上的时候，你实际上是“浮”在椅子的表面上，你的原子和椅子的原子并没有真正接触，它们的电子由于互相排斥而使你和下面的椅子保持着千万分之一毫米的距离。同样，当两个物体互相撞击时，它们并不是真正地撞在一起，而是核外电子们在很短的时间里猛烈地互相排斥。

　　本来原子就已经令人觉得不可思议地小了，但是原子核更小。小到什么程度？哎呀，正是因为太小，我们不太知道，但大致可以比划一下：如果你家里的空间是整个原子的话，原子核的位置和大小就相当于在你家的正中央放一只跳蚤。
　　原子是有分量的。不管它事实上有多小，好歹比什么也没有强——至少它还有那么一丁点儿东西。但是原子内部是那样空，以致于物理学家们最后得出结论说，原子的分量几乎全部集中在原子核上，原子的分量几乎就是原子核的分量。这是什么意思？一根缝衣针不是很重，因为它很细小。请想象一下，在微观上它却非常空洞和疏松——简直是令人吃惊地空荡荡。几十亿个铁原子手拉手组成了它，而原子们的内部绝大部分都是空的，原子核非常不起眼地位于原子的中央。在这种情况下，你简直无法想象它原本上是这个世界上为数不多的比较坚硬的物质之一（至少比手坚硬。如果你用手去“扎”它，你的手会流血，而它不会）。由于这根针的重量不是来自于这些占据了绝大部分空间的空洞，而是来自于隐藏在这些空洞深处的、当然是更加微小的原子核。按照这种结论，如果能够把原子核从原子里面用手扣出来，直接用这些核来制造一根缝衣针的话，可能谁也拿不动它，它的重量会超乎你的想象（另一种可能是，谁也无法想象）。