【原子2】一起看懂原子的內外世界

你有沒有想過：組成我們周圍世界的微小粒子究竟長什麼樣？原子這個字好像很抽象，但只要抓住幾個核心概念，就能把許多看似複雜的現象串在一起。下面用生活化的比喻和幾個歷史實驗，帶你一步步理解原子核心、電子分佈、以及把原子綁在一起的那股「看不見的力」。

從葡萄布丁到「核中心」：原子模型如何演化？

早期科學家把原子想像成一大塊均勻帶電的東西，就像一盤葡萄布丁：布丁本體帶正電，而葡萄（或葡萄乾）是散落其間的負電（電子），整體看起來電中性。這個模型聽起來直覺，但有實驗讓人不得不改變想法。

1910年代，盧瑟福做了一個著名的金箔散射實驗：他用帶正電的α粒子（可以想像成微小的子彈）射向一層極薄的金箔，觀察粒子的偏折情況。結果發現，絕大多數α粒子幾乎不受影響直接穿過，但有少部分竟被強烈彈回。要解釋這種「絕大多數不受影響，少數卻被大力反彈」的現象，最佳的想像是：原子不是均勻的，而是有一個非常小、密度極高且帶正電的核心──原子核，而電子則在外面圍繞。用生活比喻：你丟豆子穿過一張紙，大部分會穿過，但如果紙背後有一粒小石頭，少數豆子會被反彈。

原子的三種基本粒子：質子、電子、中子

在盧瑟福的發現之後，科學家知道原子核帶正電。接著又有人注意到：原子的重量（質量）並不只由質子決定。以碳為例，化學上常說碳原子的質量約為12個質量單位，但它只有6個帶正電的質子。這代表原子核裡還有其他不帶電但有質量的成員。

1932年，詹姆斯·查德威克（James Chadwick）做實驗，發現了一種中性粒子──中子。查德威克是把α粒子打到鈹（一種元素）上，結果跑出一些不帶電的粒子，這些粒子的質量與質子相近，卻沒有電荷。這樣一來，碳的原子核就可以被想像成：6個質子 + 6個中子（總質量約12），外面再圍著6個電子來平衡電荷。

為什麼需要中子？它們的作用是什麼？

中子有幾個重要角色：第一，它增加原子核的質量，卻不改變電荷；第二，它幫助穩定原子核的結構。因為質子之間帶相同的正電，理論上會互相排斥，要把很多個質子擠在同一個小空間裡，一定要有其他力量抵銷這種斥力；中子在其中扮演墊檔與緩衝的角色，並參與讓核子（質子和中子）緊密結合的核力。

這也帶出另一個概念：不同數目的中子會產生不同的「同位素」。例如氫通常只有一個質子（沒有中子），但若有一個中子就是重氫（又名氘），多了兩個中子就是超重氫（氚）。同位素的差別會影響原子核的穩定性，某些同位素會放出射線而放射性衰變。

電子在外圍：不是簡單繞圈，而是有能級與「座位」

早期的波爾模型把電子想像成小行星繞著核子做圓形軌道，這個圖像直觀而好記：例如氫就是一個質子在中間，一個電子在外圍。然而，到了量子力學出現後，科學家發現電子的行為不像小球沿固定軌道行走，而是更像一種擴散的機率分佈──比較像是「在哪些座位被佔用的機率」。

把電子想像成觀眾坐在一個分層的體育館裡比較好：最內層座位（第一層）空間有限，只能坐兩個觀眾；第二層座位比較多，可以坐到八個；再外層也有其容量。這就是化學上常說的電子殼層規則：第一層最多2個電子，第二層最多8個，外層最多通常也以8為基準（當然更深的結構還有更複雜的分組）。像鈉（Na）有11個質子，所以中性鈉原子就有11個電子：2個在第一層、8個在第二層、最後1個孤單的外層電子決定了鈉的化學性質（因此鈉很容易失去那個外層電子形成陽離子，像我們常見的鹽NaCl就是鈉離子與氯離子結合）。

重要的是，這些殼層的容量不是憑空訂出來的，而是量子力學的數學結果。化學書裡「死記」的2、8、18等數字，其實是電子以不同量子態排列的結果。要真正理解為何是這些數目，就需要一些量子力學的概念，但日常理解用「座位與能量層級」已經相當實用。