原子結構

你能觸摸的一切都是由原子構成的，而每個原子幾乎全是空的：中心有一個極小又極重的原子核，外面圍著一團淡淡的電子雲。常見的卡通把它畫成迷你太陽系：原子核是太陽，電子像行星繞著它轉。這幅圖回答了材料科學最基本的問題——在仍保有化學身份的最小尺度上，材料到底是由什麼組成的？

原子核裡有質子（帶正電）與中子（不帶電），體積雖小卻幾乎承載了全部的質量。質子的數目就是原子序 Z，它單獨決定了元素種類：1 個質子是氫，6 個是碳，26 個是鐵。在中性原子中，電子（帶負電）的數目等於質子數，這些電子分佈在固定能階的電子殼層上。尺度差距極大：原子核直徑約 10^-15 公尺，而整個原子約 10^-10 公尺（0.1 奈米），所以原子的寬度約是原子核的 10 萬倍。

這對材料為什麼重要？因為鍵結與化學反應幾乎都發生在最外層的電子上。原子核只是決定了有多少電子、以及電子被抓得多緊。把原子結構弄清楚，就掌握了往後每一項性質的根源：剛性、熔點、顏色、固體到底導電還是絕緣。