原子很小。我们看不见原子。科学家研究原子。他们想知道原子里面有什么。原子有一个中心。这个中心叫原子核。原子核很小。原子核外面有电子。电子绕着原子核转。电子带负电。原子核带正电。原子核里有两种粒子。一种叫质子。质子带正电。另一种叫中子。中子不带电。质子和中子紧紧挤在一起。

原子的质量集中在原子核。电子很轻。原子的大部分是空的。如果原子有一个房间那么大原子核就像房间里的一粒灰尘。电子就像更小的灰尘在房间里飞快地移动。我们用手摸桌子感觉桌子是硬的。其实桌子是由原子组成的。原子大部分是空的。我们感觉桌子硬是因为电子和电子互相推开。

科学家想看看原子里面到底是什么样子。他们做实验。他们用很小的东西去打原子。他们用alpha粒子。Alpha粒子从放射性物质里来。Alpha粒子带正电。科学家让alpha粒子射向很薄的金箔。他们想alpha粒子会直接穿过金箔。因为原子大部分是空的。大部分alpha粒子确实穿过去了。但是有一些alpha粒子拐弯了。还有少数alpha粒子弹回来了。科学家很吃惊。Alpha粒子带正电。它被弹回来说明它碰到了带正电的东西。这个东西很重。这个东西很小。这个东西就是原子核。这个实验叫金箔实验。这个实验告诉我们原子有一个很小的核。原子核带正电。原子核很重。

科学家知道了原子有核。他们想知道原子核能不能变。有些原子核会自己变。它们会发出射线。这叫放射性。放射性有三种射线。Alpha射线是氦原子核。Beta射线是电子。Gamma射线是光的一种能量很高。放射性物质会慢慢变少变成别的物质。这说明原子核变了。

科学家想能不能用别的方法让原子核变。他们用粒子加速器。粒子加速器让粒子跑得很快。很快的粒子有很大的能量。他们用这些快粒子去打原子核。原子核被打破。打破以后变成别的原子核。同时放出能量。这个过程叫核反应。核反应可以放出很多能量。这比烧煤得到的能量多得多。这就是原子能。

原子核由质子和中子组成。质子和中子靠一种力紧紧拉住。这种力很强。它叫强相互作用。这种力只在很短的距离起作用。比原子核的距离还短。强相互作用比电力强很多。电力让质子互相推开。强相互作用让质子和中子拉在一起。强相互作用赢了原子核就稳定。强相互作用输了原子核就分裂。

有些原子核很重。它们有很多质子和中子。质子和中子太多强相互作用有时候拉不住。这种原子核不稳定。它们会分裂成两个小一些的原子核。这叫核裂变。裂变的时候会放出能量。还有一些原子核很轻。它们只有几个质子和中子。两个轻的原子核可以撞在一起变成一个重一点的原子核。这叫核聚变。聚变的时候也放出能量。太阳就在进行核聚变。太阳发光发热都是核聚变产生的。

科学家研究原子核怎么变。他们发现质量可以变成能量。爱因斯坦有一个公式。E等于m乘以c的平方。E是能量。m是质量。c是光的速度。这个公式说质量是能量的一种形式。一点点质量可以变成很多能量。核反应的时候总质量少了一点。少的那点质量变成了能量。所以核反应能放出巨大能量。

原子核外面有电子。电子怎么运动呢？电子不像行星绕太阳那样有固定的路线。电子的运动很特别。我们无法同时知道电子在哪里和它跑得多快。我们只能知道电子在某个地方出现的可能性有多大。这种可能性用波函数描述。波函数是一个数学工具。它告诉我们电子在空间中的分布。电子在原子核外面形成云一样的形状。我们叫它电子云。电子云厚的地方电子容易出现。电子云薄的地方电子不容易出现。

电子有不同的能量。它们分布在不同的层上。我们叫这些层为能级。离原子核近的能级能量低。离原子核远的能级能量高。电子喜欢待在能量低的能级。每个能级只能放一定数量的电子。电子可以从一个能级跳到另一个能级。电子从高能级跳到低能级会放出光。光子的能量等于两个能级的能量差。电子从低能级跳到高能级需要吸收能量。吸收一个光子或者别的能量。

科学家用这种原理发明了很多东西。激光就是其中之一。激光的光颜色很纯。所有的光波都一样。激光的光很强能照很远。激光器里很多原子的电子同时从高能级跳到低能级。它们放出一样的光子。这些光子一起形成激光。

原子物理还帮助我们理解世界是怎么来的。宇宙一开始没有原子。只有基本粒子。后来宇宙冷了粒子组合成质子和中子。质子和中子组合成原子核。最早形成的原子核是氢和氦。氢原子核就是一个质子。氦原子核有两个质子和两个中子。后来恒星形成了。恒星内部进行核聚变。氢变成氦。氦变成碳和氧。更重的元素在恒星里形成或者恒星爆炸时形成。我们身体里的碳、氧、铁都是从恒星来的。我们都是星尘。

科学家造出了元素周期表。元素按原子核里的质子数排列。氢有一个质子。氦有两个质子。锂有三个质子。一直到很重的元素。现在人类造出了新元素。这些元素自然界没有。它们在实验室里造出来。它们很不稳定很快又变回别的元素。

原子物理的研究用了很多工具。加速器是其中一种。加速器让粒子跑得很快去撞别的粒子。对撞机是另一种。它让两束粒子对头撞。撞的时候产生新的粒子。科学家观察这些新粒子。他们想找到物质最基本的东西。

还有光谱仪。它看原子发出的光。每种原子有自己独特的光。就像人的指纹。我们看星星的光就知道星星上有什么元素。我们知道星星离我们很远。它们的光要很久才到地球。我们看到的是星星过去的样子。

原子物理很小也很大。它研究很小的原子。它也研究很大的宇宙。它们联系在一起。原子的规律也是星星的规律。我们通过理解原子来理解宇宙。我们通过理解宇宙来理解原子。