How big is 氫原子?
110 picometers!
氫原子是最簡單的原子：由一個質子束縛住一個電子所組成。以波耳半徑的兩倍計算，氫原子的寬度約為0.11奈米，即110皮米。一奈米是一公尺的十億分之一，一皮米則是一奈米的千分之一。
大小
原子沒有明確的邊界，它的電子也不像行星那樣沿著固定路徑運行。量子物理學反而把電子描述成一團機率雲：電子最可能出現在離原子核某個特定距離處，離得越遠，出現的機率就越低。因此，化學家對原子大小有好幾種不同的定義方式，各自得出不同的數字。
這裡使用的數字，是波耳半徑的兩倍。波耳半徑為52.9皮米，是電子最可能出現的位置與質子之間的距離。它的兩倍是106皮米，四捨五入後即為110皮米。這個名稱是為了紀念尼爾斯·波耳，他在1913年提出的原子模型，把電子放在半徑恰好等於這個數值的圓形軌道上。
其他定義方式，會得出不同的大小。兩個氫原子結合成分子時，彼此中心的距離為74皮米。另一種量測方式稱為凡得瓦半徑，依據的是兩個獨立原子在互相排斥之前，能夠靠近到多近的距離。以這種方式測量，氫原子的寬度約為220至240皮米。
大小比較
- 氫原子的寬度，大約是其中心質子的6萬倍，而質子本身的寬度約為1.7飛米。一飛米是一奈米的百萬分之一。
- 如果把氫原子放大到一座美式足球場的長度，也就是連同兩端達陣區在內共110公尺，它的質子寬度就會不到2公釐。
- 大約75萬到95萬個氫原子並排排列，寬度就相當於一根人類頭髮的寬度。
- 氫原子的寬度是1.06埃，比一埃稍微多一點。埃等於100皮米，是用來表示原子大小與化學鍵長度的單位。
- 一般光學顯微鏡無法顯示出氫原子。這種顯微鏡所能分辨的最細細節約為0.2微米，幾乎是氫原子寬度的2000倍。一微米是一公尺的百萬分之一。
最常見的元素
氫是宇宙中含量最豐富的元素。太陽的質量中，約有75%是氫。在太陽的高溫環境下，氫原子核會融合形成氦，並釋放出龐大的能量。在地球上，大多數的氫都存在於水中。
較重的氫
同一種元素中，中子數不同的原子稱為同位素。在地球上，超過99.97%的氫原子，其原子核僅由一個質子構成，不含中子。1931年，哈羅德·尤里與他在哥倫比亞大學的同事，發現了一種較罕見的形式──氘，其質量約為一般氫原子的兩倍。
第三種形式稱為氚，除了質子外還帶有兩個中子。氚具有放射性，每12.3年，任何樣本中就有一半會衰變。氚是宇宙射線在高層大氣中撞擊氮分子時，自然形成的。
參考資料
- Bohr Radius. NIST, CODATA 2022.
- Theoretical Calculation of Absolute Radii of Atoms and Ions. Part 1. The Atomic Radii. Ghosh and Biswas, International Journal of Molecular Sciences, 2002.
- The Bohr Model. In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
- The Hydrogen Atom. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
- Hydrogen: Radii of Atoms and Ions. WebElements, University of Sheffield.
- Hydrogen. Royal Society of Chemistry, Periodic Table.
- Helium. Royal Society of Chemistry, Periodic Table.
- Atomic Weight of Hydrogen. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.
- Radionuclide Basics: Tritium. U.S. Environmental Protection Agency.
- The International System of Units (SI). 9th edition, version 4.01. BIPM, 2026.
- Proton RMS Charge Radius. NIST, CODATA 2022.
- 2026 NFL Rulebook. National Football League, 2026.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
- The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press Release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.