How big is 氢原子?
110 picometers!
氢原子是最简单的原子：一个质子束缚着一个电子。按玻尔半径两倍计算，它的直径约为 0.11 纳米，即 110 皮米。纳米是一米的十亿分之一，皮米则是一纳米的千分之一。
大小
原子没有坚硬的边界。它的电子并不像行星那样沿固定轨道运行。量子物理学转而把电子描述成一团概率云：电子最可能出现在离原子核某个特定距离处，离得越远，出现的概率就越低。因此，化学家用好几种方式定义原子的大小，每一种都会得出不同的数值。
这里给出的数值，是玻尔半径的两倍。玻尔半径为 52.9 皮米，是电子最可能出现的位置到质子的距离。这个距离的两倍是 106 皮米，四舍五入为 110 皮米。这个名称来自尼尔斯·玻尔，他在 1913 年提出的原子模型认为，电子正是沿着这一半径的圆形轨道运动。
按其他定义，会得到不同的数值。两个氢原子结合成分子后，中心间距为 74 皮米。另一种测量方式是范德华半径，依据的是两个独立原子在相互排斥之前能靠近到多近。按这种方式，氢原子的直径约为 220 到 240 皮米。
大小比较
- 氢原子的宽度约为其中心质子的 6 万倍，质子的直径约为 1.7 飞米。飞米是一纳米的百万分之一。
- 如果把氢原子放大到一个包含端区、全长 110 米的美式足球场那么长，它的质子直径就会不到 2 毫米。
- 大约 75 万到 95 万个氢原子并排排列，宽度就相当于一根头发的宽度。
- 氢原子的直径为 1.06 埃，比 1 埃稍多。埃等于 100 皮米，是用来表示原子大小和化学键长度的单位。
- 普通光学显微镜无法显示氢原子。这类显微镜所能分辨的最细结构约为 0.2 微米，接近氢原子宽度的 2000 倍。微米是一米的百万分之一。
最常见的元素
氢是宇宙中含量最丰富的元素。按质量计算，太阳约有 75% 是氢。在太阳的高温下，氢原子核会聚变形成氦，并释放出巨大的能量。在地球上，大部分氢都存在于水中。
氢的更重同位素
同一种元素中中子数不同的原子，叫作同位素。在地球上，超过 99.97% 的氢原子，其原子核都只是一个质子，不含中子。1931 年，哈罗德·尤里（Harold Urey）与哥伦比亚大学的同事们，探测到了一种更罕见的形式——氘，其质量约为普通氢的两倍。
第三种形式是氚，除一个质子外还含有两个中子。氚具有放射性，每 12.3 年，任意样本中就有一半会衰变掉。氚在大气高层自然形成，是宇宙射线撞击空气中的氮分子产生的。
参考资料
- 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.
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- 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.