从最小的尺度上看，宇宙中的物质都由基本粒子组成，其中一些基本粒子在各种作用力的影响下聚集起来形成原子和离子。不过在这些常见的物质形式之外，还有其他类型的物质存在。宇宙的大部分质量由＂暗物质＂提供。而暗物质的真实属性仍未可知。碳原子的结构
　　碳原子的中央是由质子和中子组成的原子核。它的电子在两个被称作壳层的空间内围绕原子核运动。由于电子没有确定的运动轨道，因此壳层是模糊的。什么是物质？
　　物质指的是任何有质量的东西，换句话说，是任何受引力影响的东西。地球上的大部分物质由原子和离子组成。不过在宇宙的其他地方，物质的存在形式就多种多样了。既有稀薄的星际介质，也有密度无限大的黑洞。并不是所有这些物质都由原子组成，但它们都由粒子组成。某些类型的粒子是基本粒子，也就是说，它们不是由更小的亚单位组成的。普通物质中最常见的基本粒子是夸克和电子。它们构成了原子、离子和其他所有可见物质。但是，宇宙物质中的大部分并不是普通物质，而是暗物质。这种物质可能是中微子，或者是理论上预言的弱相互作用大质量粒子（WIMP），或者兼而有之。明亮物质
　　这些星际空间中的发光气体云是由原子、离子这类普通物质组成的。原子和离子
　　原子由叫作夸克和电子的基本粒子组成。夸克3个一组，由无质量的胶子连接在一起。质子和中子都是由夸克组成。它们在原子中央的致密区域中密结成团构成原子核。原子中的大部分剩余区域都是空空荡荡的，只有电子在其中运行。电子带负电荷，而且质量很小。原子几乎全部的质量都由质子和中子提供。原子中带正电的质子总是和带负电的电子一样多，因此原子呈电中性。当原子失去或者得到电子时，就成为带电的离子。原子成像
　　这幅图像由扫描隧道显微镜拍摄，显示了位于绿色碳原子网格上的金原子。吸收和发射
　　原子中的电子可以位于不同的能态。它们在不同的能态之间跳跃时会吸收或者发射出定量的能量包。这些能量包就是光子。电离
　　原子变成正离子的一种情况是：电子从高能光子处获得能量，然后带着它的负电荷逃出原子。化学元素
　　原子也不尽相同。它们包含不同数目的质子、中子和电子。只由同一种原子构成的物质称作一种化学元素。原子中所包含的质子数（或者说电子数)叫作原子序数。比如元素氢的原子序数为1(所有的氢原子都由一个质子和一个电子组成)，氦的原子序数为2，碳的原子序数为6。天然元素一共有90种。同类元素的原子都有同样的大小和相同的电子配置。电子配置尤其重要，因为它决定着元素的化学性质。宇宙一度几乎完全由最轻的两种元素——氢和氦组成。而大部分其他元素，包括常见的氧、碳和铁在内，都是在恒星内部或是恒星爆炸时形成的。尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)
　　丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(1885—1962)首次提出原子中的电子是运行在离散的轨道上的。他假定这些轨道有确定的能级，当电子在不同轨道间运动时，会发射或吸收定量的能量（量子）。玻尔的轨道今天被称作轨道函数（orbital），是电子壳层的亚结构。元素特性
　　正如这里所列举的4个例子一样，元素的性质千差万别。它们的特性来自于不同的原子结构。氢
　　常温下(21 )为无色气体。它的原子只有一个质子和位于一个売层上的一个电子。铝
　　常温下(21 )为固体金属。它的原子有13个质子和14个中子，以及位于3个壳层上的13个电子。硫
　　常温下(21 )为黄色易碎的固体。它的原子有16个质子，16~18个中子；16个电子分布在3个売层中。溴
　　常温下（21 ）为棕色发烟的液体。它的原子有35个质子，44~46个中子：35个电子分布在4个壳层中。化学成分
　　宇宙中的大部分物质是由少数几种化学元素的自由原子或离子组成的。不过也有相当一部分存在于化合物中。化合物是由被化学键连接在一起的多种元素的原子组成。化合物不仅存在于行星、小行星这样的天体中，也存在于生命体和星际介质中。在食盐这样的离子化合物中，原子之间交换电子，生成的带电离子由电磁力结合在一起，排布在稳固的晶体结构中。对于水这样的共价化合物来说，原子之间共用电子形成分子结构。此离子化合物外，同种元素的多个原子也可以聚合形成分子。中子
　　质子和中子都是由胶子连接的3个夸克组成。夸克可在＂红＂＂绿＂、＂蓝＂3种形式之间转换，不过每种颜色总是有且只有一个。离子化合物
　　这类化合物由多种化学元素的离子组成，通常排布在周期性重复的固体结构中。这里的例子是食盐——氯化钠。

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