解读原子的奥秘，主讲人《云里·物理》系列微课简介。上节课我们学习了一些原子的基本知识，这节课我们将认识原子是由什么组成的，而且有没有一些奇怪的、不同于我们所熟悉的原子的粒子。
世界万物由原子组成，那么原子有哪些基本性质呢？原子有确定的大小，它的大小大概是一个Å，也就是10-10米。这里说的是原子中电子轨道的大小，而不是原子核的大小——原子核的大小要比这个小得多得多。
原子有确定的质量，也就是所谓的相对原子质量。这里有一个简单的规则：只要数一数原子里面有多少个质子和中子，它的相对原子质量就是多大，因为原子的质量都集中在质子和中子上面。比如碳有6个中子、6个质子，那么它的相对原子质量是12。为了联系微观和宏观，人们采用“阿伏加德罗常数”来联系宏观和微观的质量。阿伏加德罗常数也称为一个摩尔的原子数，它大概是6×1023个。也就是说，1摩尔的碳原子，它是多重呢？
6×1023个碳原子，它的质量是12克，那么单个原子的质量也就很容易得出了。
原子有多少种类？如果按原子中的质子的数目来分，大概有100多种——这就是我们所熟知的100多种元素；如果按照原子中的中子数再把它细分，大概有近千种——也就是几百种不同元素的同位素。
原子另外一个很重要的性质，就是会发光，而且会发出特定的光。比如把一小粒食盐放在火上去烧，我们很容易就看到黄色。这是因为食盐中的钠离子，它的特征发光能够产生两道明亮的黄线。不同的元素会发出不同的光，这样我们不仅可以证实物体中这种原子的存在，而且可以明确地指出来它是哪种原子。
根据原子发光的性质，人们对原子的基本构成又有更深入的理解。这个方面的先驱是玻尔。玻尔在思考“原子为什么会发光”、“为什么会发特定的光”的时候，提出了所谓的玻尔原子模型。他认为原子之所以发光，是因为原子中的电子具有确定的轨道，电子在不同的轨道之间跃迁，就会发射出能量等于这两个轨道能量差的光线来。
进一步的发展建立在20年代，人们建立的量子力学的基础之上。根据量子力学——现在我们所知的最精确的理论——我们能够确切地了解每个原子周围电子的分布情况。电子是按照轨道分布，而且一个轨道上有确定的能量、确定的动量、确定的数目，甚至还有一些特别的空间分布，比如说电子在原子周围的分布。
原子另外一方面的性质就是它的稳定性。小原子是非常稳定的，但是当原子变大了之后，它也可以变得不太稳定。比如说很重的铀元素，它在一段时间内会分裂成两个原子——钡和氪，同时产生一些中子。如果这些中子被别的原子核俘获，就会引发别的原子核继续分裂，产生更多的中子。所以一个原子分裂，导致其他原子分裂，最终导致更多的原子分裂，这就是链式反应，也就是核裂变。
除了由电子和质子、中子组成的原子核，世界上其实还有一些其它的奇怪一点的原子。在这方面，大家都很熟悉的是所谓的反物质的原子。原子核周围有很多的电子，电子是带负电的粒子，在平面电容器里面会偏转。但是有一类电子，它不仅不带负电，反而带正电；它在平板电容器中会产生相反方向的偏转。这就是所谓的正电子。
过去的几十年，人们获得了大量关于粒子的知识，探测这些粒子通常是通过所谓的云室。一个盒子里面充满了水蒸气，这些粒子通过这些水蒸气的时候，会产生气泡。根据这些气泡我们就可以判断这些粒子的轨迹，从而可以推出这些粒子的带电量、质量等等基本的性质。
根据云室以及其他的一些手段，人们发现宇宙间奇怪的粒子太多了。除了μ子、中微子，还有τ粒子，还有各种强子、各种介子。这些丰富多样、各种各样的粒子组成了一个巨大的家族。粗略来说可以分为两大类，一类是玻色子，自旋的状态为整数；另外一类称为费米子，自旋状态为半整数。
刚才已经提到原子（比如碳原子）是由电子和原子核组成，原子核是由质子和中子组成。那一个质子是怎么组成的？一个质子，人们认为是有三个小颗粒，这三个小颗粒称为夸克，有时候也叫部分子。这些夸克之间通过一种相互作用的粒子——胶子——来联系在一块形成一个整体。
刚才讲的形形色色的存在和可能存在的粒子，是不是构成这个世界的全部？其实不是的。刚才提到的这些粒子，充其量只能组成我们世界5%的成分，也就是5%的可见成分。那么其他的成分还有什么呢？它包括27%的所谓的暗物质，即现在还没法感知、没法探测的粒子。除了暗物质之外，还有一些可能不以物质确定状态存在的所谓的暗能量，它占了宇宙68%的成分。