一位20世紀的物理學家在他的著作裡寫了這麼一句話：「如果有一句話可以總結人類知道的所有知識，那這句話一定是：『萬物都是由原子構成的。』」
你能想像只有千萬分之一毫米大小的原子構成了我們身邊的萬物嗎？你能想像你身體裡的一切都是無數原子的有序組合嗎？你的身體是原子，你吃的食物是原子，你代謝的廢物也是原子……
等等，我覺得有必要解釋一下千萬分之一毫米的概念。一個原子和一個桌球的大小對比，就如同一個玻璃球和地球比較一樣。你現在吃驚了嗎？其實不光是你，科學家在知道這一切時，驚訝程度並不亞於你。
正是因為原子如此之小，人類對原子的認識前後歷經了幾千年，迄今為止可分為三個階段，而且以後還將繼續。正所謂：人類文明不停息，原子認識不停止。
第一階段猜想推測
距今2500年前，古希臘的哲學家德謨克利特提出，萬物都是由一種微小粒子構成的，該粒子被稱為「原子」。「原子」在希臘語中的意思是「無法繼續分割的物質」。他認為組成每種物質的原子不同，比如有一種便是「人類的靈魂原子」。
而同時代的哲學家亞里斯多德則支持「四元素說」，認為萬物都是由空氣、水、火、土四種元素構成的。而且所有物質都是由這四種物質組合而成，但亞里斯多德並不認為這些元素就是微小粒子。
將元素和原子論加以結合的，是18世紀的英國物理及化學家約翰·道爾頓。
他認為每種元素都有自己固有的原子，化合物是不同的原子以一定的比例結合而成的。他還推算出形成化合物的各原子的質量比。到了1803年，道爾頓發表了原子符號，還計算出將氫原子的質量當成1時各原子的相對質量，即原子量。如今，原子量的概念仍繼續沿用（現在是用碳12作為原子量的標準，定它的原子量為12，以各元素的原子質量與碳12的原子質量的比值作為各原子的原子量）。
這些就是人類對原子第一階段的認識。在這期間，科學家認為原子真實存在，是物質的最小單位，也是無法再分割的粒子。
第二階段 實驗認識
1897年，英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆遜
在研究「陰極射線」的過程中發現了電子，打破了原子不可再分的假說。此後，有關原子結構的猜測從未停息過，而率先找出答案的，是英國物理學家歐內斯特.盧瑟福。
盧瑟福在研究一種被稱為「α射線」的強烈放射線時發現，α射線的粒子質量約為電子質量的8000倍，並且帶有正電荷。於是，盧瑟福提出他的原子模型假說：原子的中心為原子核，原子核周圍是電子。現在，我們已經知道了原子核的大小，如果以半徑來比較的話，原子核半徑大約只有原子半徑的萬分之一，而原子的所有質量幾乎都凝聚在此，電子的質量則輕得可以忽略不計。
原子和原子世界是如此之小，以至於科學家不得不另尋理論來解決原子世界的問題，於是，量子力學誕生了。根據19世紀奧地利理論物理學家歐文-薛丁格和英國物理學家馬克斯-博恩的說法，電子的位置和速度是無法同時測定的，不過，「電子的存在範圍」卻可以推算。他們認為，在該範圍中，1個電子可以同時存在於無數個場所。這樣的觀點也許很不容易理解，不過卻能解釋各式各樣的實驗結果。
1924年，瑞士籍奧地利裔理論物理學家泡利主張：能出現在某一「能夠存在範圍」的電子最多只有2個，換言之，相同形狀的電子云最多只能有2個。以氧原子為例，8個電子中，具有相同形狀電子云的電子每2個1組，共有4組。鈾原子電子云的種類數高達48個。不過，由於電子云會在相同的場所重疊，因此就整體來看，好像一個非常大的球狀雲。這就是泡利主張的「電子的自旋方向朝上和朝下者成對存在」的「泡利不相容原理」。
此後，科學家開始研究不同大小的原子的性質，以尋求其內在規律。以氫為例，它具有易燃、可與氧結合生成水的化學性質。而在元素周期表中與氫相鄰的氦，卻不像氫那麼容易燃燒，也不會爆炸，因此，氦氣常用作使氣球上浮的氣體。科學家研究發現，元素的化學性質是由電子數決定的，特別是受位於最外層的電子數目的影響。因此，在元素周期表上，最外層電子數相同的元素會排在同一族。
1917年，盧瑟福又有了重大的發現。他以α粒子撞擊氮原子，發現從氮原子核中飛出未知粒子。該粒子帶有與1個電子相當分量的正電荷，盧瑟福將之命名為「質子」，並認為原子核就是質子的集合，原子之所以呈現電中性，是因為質子數和電子數一樣。因此，質子數也被稱為「原子序數」。
但在事實面前，這一理論的矛盾很快就暴露出來了，解決該矛盾的是20世紀英國的原子物理學家詹姆士.查德威克。1930年，查德威克在以α粒子撞擊鈹的薄膜和石蠟時，發現了一種身份不明的「電中性粒子」。查德威克計算了該粒子的速度和質量，得知該粒子的質量大致與質子相等。隨後，該粒子被命名為「中子」。中子是繼電子、質子之後被發現的、構成原子的第三個成員。查德威克還進一步指出，原子核由質子和中子構成，這兩種粒子合稱「核子」。
原子核由質子和中子構成，質子數決定原子的種類，中子數則影響原子質量，質子和中子的數目總和被稱為「質量數」，表示該原子的大致質量。因此，即使同樣是氫，也有較輕和較重的氫。事實上，所有的元素都擁有這種原子序數相同但中子數目不同的原子，即同位素。第一個發現同位素的科學家是19世紀英國的物理化學家弗雷德裡克·索迪。
在查德威克發現中子兩年後的1934年，日本的物理學家湯川秀樹預言有一種可以讓原子核的組成分子結合在一起而不四散的力——核力。核力像黏膠一樣作用於質子與中子、質子與質子、中子與中子之間，尤其是質子與中子之間的強大吸引力，將核子組合成原子核。因此，質量大的原子核分裂時會產生巨大能量；質量小的原子核彼此融合（即聚變）時也會產生龐大能量。但要產生核聚變並非易事，一般需要超高溫、高壓等條件。核分裂就是使原子彈爆炸的原理，而核聚變的例子就是太陽。
第三階段宏觀與微觀驚人相似
在量子力學的連接下，微小到千萬分之一毫米的原子世界竟然和宏大到百億光年的天體世界，巧妙地組合在一起，其中最為經典的就是宇宙大爆炸理論。
目前認為，宇宙大爆炸大約發生在137億年前，那時的宇宙處在高溫、高密度的灼熱狀態。根據科學家的研究結果推測，電子、質子、中子大約誕生於大爆炸後的十萬分之一秒以內。大約經過3分鐘後，宇宙的溫度下降至約10億攝氏度，四處飄蕩的質子和中子結合，誕生氦、鋰等質量較小的原子核。再經過大約38萬年後，宇宙溫度大約下降至3000℃，四散的原子核和電子結合，原子誕生了。
恆星聚變能產生的原子質量最大的元素是鐵，它是由內部溫度50億攝氏度，並且具有10倍以上太陽質量的恆星聚變生成的。當製造出鐵之後，質量更大的元素的核聚變反應就不會再進行，恆星開始急速收縮，最後會發生大爆炸，即超新星爆發。
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