知识小档案：原子

原        子

原子是能保持其化学性质的最小单位。

从理论上讲，原子有正原子和负原子之分，正原子的原子核由带正电的质子和中子组成，而负原子的原子核由带负电的反质子和中子组成。当质子数与电子数相同时，这个原子是电中性的，否则就带有正电荷或负电荷。

原子核外分布着电子，电子跃迁产生光谱，它决定了一个元素的化学性质，并且对原子的磁性产生影响。

所有质子数相同的原子组成某一种元素，绝大多数元素都有由中子数所确定的一个或几个不稳定的同位素，并以放射性衰变方式演化。

1.原子模型理论

道尔顿原子模型

1803年，英国自然科学家约翰·道尔顿提出了世界上第一个原子的理论模型。其理论要点是：所有物质都是由微小的、不可再分的物质微粒—原子所组成；同种元素原子的性质和质量相同，不同元素的原子主要表现为质量的不同；原子是微小的、不可再分的实心球体；在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会被创造或者消失。

虽然这是一个失败的原子模型，但由于道尔顿第一次将原子从哲学带入了化学研究中，为科学家们明确了探索方向，因而道尔顿仍然被后人誉为“近代化学之父”。

葡萄干布丁模型

1897年，物理学家约瑟夫·汤姆生发现电子粉碎了一直以来认为原子不可再分的设想。汤姆生在发现电子的基础上提出了原子的葡萄干布丁模型，也是第一个存在着亚原子结构的原子模型。汤姆生认为：正电荷像流体一样均匀分布在原子中，电子就像葡萄干一样散布在正电荷中，正负电荷相互抵消；在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。

在汤姆生提出葡萄干布丁模型的同年，日本科学家提出了土星模型，认为电子并不是均匀分布，而是集中分布在原子核外围的一个固定轨道上。

行星模型

1909年，汤姆生的学生卢瑟福完成了α粒子轰击金箔的散射实验，否认了葡萄干布丁模型的正确性。卢瑟福以经典电磁学为理论基础，提出了行星模型，其主要内容是：原子的大部分体积是空的；在原子的中心有一个体积很小、密度极大的原子核；原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部；带负电的电子在核空间进行高速的绕核运动。

但是，随着科学的进步，氢原子线状光谱的事实表明行星模型是不正确的。

玻尔的原子模型

为了解释氢原子线状光谱这一事实，卢瑟福的学生玻尔接受了普朗克的量子论和爱因斯坦的光子概念，在行星模型的基础上于1913年提出了核外电子分层排布的原子结构模型。玻尔原子结构模型的基本观点是：①电子在确定的圆周轨道上绕原子核运动，不辐射能量。②在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，且能量是量子化的，轨道能量值依n（=1，2，…）的增大而升高，n称为量子数。而不同的轨道则分别被命名为K（n=1)、L(n=2)、M(n=3)、N(n=4)、O(n=5)、P（n=6）、Q（n=7)。③当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了光谱。

玻尔的原子模型很好的解释了氢原子的线状光谱，但对于更加复杂的光谱现象却无能为力。

现代量子力学模型

在玻尔原子模型的基础上，物理学家德布罗意、薛定谔和海森堡等人经过13年的艰苦论证，形成了现代量子力学模型，能很好地解释许多复杂的光谱现象，其核心是波动力学。玻尔模型里，轨道只有一个量子数（主量子数），现代量子力学模型则引入了更多的量子数。

①.主量子数：主量子数决定不同的电子亚层，符号“n”，命名为K、L、M、N、O、P、Q。

②.角量子数：角量子数决定不同的能级，符号“l”，共n个值（1，2，…)，用s、p、d、f、g等表示。对多电子原子来说，电子的运动状态与l有关。

③.磁量子数：磁量子数决定不同能级的轨道，符号“m”，仅在外加磁场时有用。（“n”、“l”、“m”这三个量确定一个原子的运动状态）

④.自旋量子数：处于同一轨道的电子有两种自旋，即“↑↓”自旋现象的实质还在探讨当中。

2.原子的基本构成

构成原子的电子、质子、中子被统称为亚原子粒子。质子带有一个正电荷，质量是电子质量的1836倍，为1.6726×10?²⁷kg，其中部分质量可以转化为原子结合能。中子不带电荷，自由中子的质量是电子质量的1839倍，为1.6929×10?²⁷kg。中子和质子的几何尺寸相仿，均在2.5×10?¹⁵m这一数量级。它们的表面构型无法精确定义。

在标准模型理论中，质子和中子都由夸克构成。夸克属于费米子的一种，是构成物质的两个基本组分之一（另外一个基本组份被称作轻子，例如电子就是轻子）。夸克共有六种，每一种都带有分数的电荷，不是+2/3就是-1/3。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，而中子则是由一个上夸克和两个下夸克组成（由此解释为什么中子和质子的电荷和质量均有差别）。夸克由强相互作用结合在一起的，但要有胶子作为中介。胶子属于规范玻色子，是一种传递力的基本粒子。

亚原子粒子具有量子化特征和波粒二象性，可以用λ=h/p=h/mv描写。式中λ为波长，p为动量，h为普朗克常数（6.626×10?³⁴J·S)。

电子和电子云

在一个接近真空、两端封有金属电极的玻璃管通上高压直流电，阴极一端便会发出阴极射线。荧光屏可以显示这种射线的方向，如果外加一个匀强电场，阴极射线会偏向阳极；又若在玻璃管内装上转轮，射线可以使转轮转动。后经证实，阴极射线是一群带有负电荷的高速质点，即电子流。电子由此被发现。

电子是最早发现的亚原子粒子，也是目前为止所有粒子中最轻的，只有9.11×10?³¹kg，为氢原子的[1/1836.152701(37)]，是密立根在1910年前后通过著名的“油滴实验”做出的。电子带有一个单位的负电荷，即4.8×10?¹⁹静电单位或1.6×10?¹⁹库伦，其几何用现有技术无法测量。现代物理学认为，电子属于轻子，是构成物质的基本单位之一。

电子具有波粒二象性，不能像描述宏观物体那样描写它的行为，只能指出它在原子核外某处出现的可能性大小（几率）。电子在原子核各处出现的几率是不同的，有些地方出现的几率大，有些地方出现的几率很小。如果将电子在核外各处出现的几率用小黑点描绘出来（出现几率大，小黑点就多），便可得到一种略具直观性的图像。这样一来，原子核仿佛被带负电荷的电子云物所笼罩，故称电子云。

                 

          氢原子的电子云图像

在一个原子中，电子和质子相互吸引，电子被束缚在一个环绕着原子核的静电位势阱中，电子要从这个势阱中逃逸则需要从外部获得能量。电子离原子核越近，吸引力越大。与外层电子相比，离核近的电子需要更多能量才能逃逸。

每一个原子轨道都对应一个电子的能级。电子可以通过吸收一个带有足够能量的光子而跃迁到一个更高的能级。同样，自发辐射则是高能级态的电子跃迁到一个低能级态，并释放出光子。电子的不同量子态之间的跃迁出现的能量差，可以用来解释原子谱线。

如果把核外电子出现几率相等的地方连接起来，几率分布大的（例如90%或95%）为电子云的界面，界面外的几率会很小。象这样的高密度带就是原子轨道，它与宏观的轨道有所不同。换一句话说，电子围绕原子核运动的轨迹集合是一个球面或椭球面上的带状形。

在原子核中除去或增加一个电子所需要的能量远远小于核子的结合能，这种能量被称为电子结合能。例如：夺去氢原子中基态电子只需要13.6eV。当电子数与质子数相等时，原子是电中性的。如果电子数大于或小于质子数，该原子带有电荷，被称为离子。原子最外层电子可以移动至相邻的原子，也可以由两个原子所共有。正是由于有了这种机理，原子才能够键合形成分子或其他种类的化合物，例如离子或共价的网状晶体。

原子轨道是薛定谔方程的合理解。该方程的解ψ是x、y、z的函数ψ（x，y，z)。为了更形象地描述波函数的意义，通常用球坐标来描述波函数，即ψ（r，θ，φ)=R(r)·Y(θ，φ)，这里R(r)是与径向分布有关的函数，称为径向分布函数；Y(θ，φ)是与角度分布有关的，称为角度分布波函数。

原子核

在α粒子散射实验中，人们发现原子的质量集中于一个很小且带正电的物质中，这就是原子核，由原子中所有的质子和中子结合而成，它们一起被称为核子。原子核的半径约等于1.07×A^1/3fm，其中A是核子的总数。原子半径的数量级大约是105fm，因此原子核的半径远远小于原子的半径，核子被能在短距离上起作用的强力所束缚。在线度为10?¹⁵m的区域内，强力远远大于静电力，它能够克服带正电的质子间的相互排斥。核力的作用范围被称作力程，在2.5fm左右，不超过3fm，因此核力属于短程力，不能从一个原子核延伸到另一个原子核。

同种元素的原子带有相同数量的质子，这个数也被称作原子序数。而对于某种特定的元素，中子数是可以变化的，这也就决定了该原子是这种元素的哪一种同位素。质子数量和中子数量决定了该原子是这种元素的哪一种核素，而中子数决定了该原子的稳定程度。

如果一个原子核的质子数和中子数不相同，那么该原子核很容易发生放射性衰变，使得质子数和中子数更加相近。因此，质子数和中子数相同或很相近的原子更不容易衰变。但是，随原子序数逐渐增加，质子之间的排斥力增强，这就需要更多的中子来使整个原子核变得稳定。当原子序数大于20时，就不能找到一个质子数与中子数相等而又稳定的原子核了。随Z的增加，中子和质子的比例逐渐趋于1.5。

3.原子所表现的性质

放射性

每一种元素都有一个或多个同位素的原子核是不稳定的，当原子核的半径大于强力作用的半径时，放射性衰变即可能发生。每一种放射性同位素都有一个特征衰变期间，即半衰期。半衰期就是一半样品发生衰变所需要的时间。常见的放射性衰变包括：

α衰变：原子核释放一个α粒子（氦核），产生一个原子序数低一些的新元素。

β衰变：这种衰变属于弱相互作用的现象，衰变中由一个中子转变成一个质子或者由一个质子转变成一个中子。前者伴随一个电子和一个反中微子的释放，后者释放一个正电子和一个中微子。所释放的电子或正电子被叫做β粒子。β衰变的结果是该原子的原子序数增加或减少。

γ衰变：原子核的能级降低，释放出电磁波辐射，通常在释放了α粒子或β粒子之后发生。

其它比较罕见的放射性衰变有：释放中子或质子，释放核子团或电子团，以及通过内转换产生高速的电子（非β射线）或高能的光子（非γ射线）。

磁矩

如同物体围绕质心旋转具有角动量一样，在量子力学中被叫做自旋。但严格讲，由于物质微粒仅仅是一些点，它是不能够旋转的。自旋的单位釆用约化普朗克常数，电子、质子和中子的自旋都是1/2。在原子里，电子围绕原子核运动，它们除了自旋还有轨道角动量。而对于原子核来说，轨道角动量起源于自身的自旋。

客观上，一个旋转的带电物体能够产生磁场，一个原子所产生的磁场就是它的磁矩，它是由角动量决定的。按照泡利不相容原理，当电子成对时总是一个自旋朝上而另外一个自旋朝下。这样，它们产生的磁场相互抵消。对于某些带有偶数个电子的原子，总磁偶极矩会减少至零。而电子总数为奇数的原子，例如铁，将产生一个净磁矩。同时，由于相邻原子的轨道可能重叠，未成对电子会朝向同一方向，使体系的总能量最低。这种过程被称为交换相互作用（交互作用）。铁磁性物质的磁动量的朝向一致，将拥有一个宏观可测的磁场。顺磁性材料中，在没有外部磁场的情况下，原子磁矩都是随机分布的，一旦施加外磁场，所有原子都会统一朝向而产生磁场。

原子核也可以存在净自旋。虽然通常的物质原子核都是随机朝向的，但也有一些特定元素（例如氙-129），一部分核自旋也是可能被极化的，这个状态被叫做超极化，在核磁共振成像中得到应用。

能级

原子中电子的势能与它离原子核的距离成反比。测量电子势能，通常是测量电子脱离原子所需要的能量（单位是电子伏特eV）。在量子力学模型中，电子只能占据一组以原子核为中心的状态，每一个状态对应于一个能级。最低的能级叫做基态，更高的能级叫做激发态。电子发生能级之间跃迁的前提条件是它吸收或者释放的能量必须与这两个能级之间的能量差一致。由于释放的光子能量只与光子的频率有关，并且能级是不连续的，所以在电磁波谱中就会出现一些不连续的带。每一种元素都有一个特征波谱，特征波谱取决于核电荷的多少、电子填充的情况、电子之间的电磁相互作用等因素。

当一束全谱混合光经过一团气体或者一团等离子体后，一些光子会被原子吸收，引起原子内的电子跃迁。而处于激发态的电子会自发返回低能态，并以发射光子的形式释放能量，这时原子取一个随机的方向。前者使原子有了类似于滤镜的功能，观测者在最后接收到的光谱中会发现一些黑色的吸收能带。而后者的光线不在同一条直线上，观察者看到的是一些不连续的谱线，它实际上就是那些原子的发射谱线。对谱线进行光谱学测量能够了解物质的组成及其物理性质。

现在，科学家们发现一些谱线有裂分的精细结构。这是因为自旋与最外层电子运动间的相互作用带来的，被称作自旋-轨道耦合。当原子位于外部磁场中时，谱线能够裂分成三个或多个部分，这个现象叫做塞曼效应，它是原子的磁矩及其电子与外部磁场的相互作用的表现。一些原子拥有许多相同能级电子，只产生一条谱线。当这些原子被安置在外部磁场中时，这几种电子排布的能级就有了一些细小的区别，这样就出现了裂分。外部电场的存在也能导致类似现象，被称为斯塔克效应。

如果一个光子能够使电子受激辐射，电子释出的是一个拥有相同能量的光子，其前提条件是电子返回低能级时所释出的能量与光子的能量一致。这时，受激释放的光子与原光子向同一个方向运动，即这两个光子的波是同步的。激光就是根据这个原理设计出来的。

态

原子可以处于不同的相态，但物相与物理条件相关，例如温度与压强。通过改变这些条件，物质可以在固、液、气、等离子体之间转换。在同一种相态中，物质也可以有不同的形态，例如固态的碳就有石墨和金刚石两种形态。

当温度靠近绝对零度时，原子将凝聚成玻色-爱因斯坦凝聚态。这些超冷的原子可以被视为一个超原子，科学家们利用这种物态研究分析量子力学的一些基本原理。

4.原子起源和现状

稳定的质子和电子在大爆炸后的一秒钟内出现，在接下来的三分钟之内，太初核合成产生了宇宙中大部分的氦、锂和氘，有可能也产生了一些铍和硼。在理论上，有束缚电子的原子是在大爆炸后大约380000年产生的，这被称为重新结合时代，宇宙已经冷却到足以使电子与原子核结合了。自此，原子核开始在恒星中通过核聚变的过程结合，产生各种各样的元素。

组成地球的原子是在太阳系刚形成的时候就已经存在了的。还有一部分原子是核衰变的结果，它们的相对比率可以通过放射性定年法决定地球的年龄。大部分地壳中的氦都是α衰变的产物。

地球上也有很少的原子既不是在一开始就存在的，也不是放射性衰变的结果。例如碳-14是大气中的宇宙射线所产生的。在所有超铀元素─原子序数大于92的元素中，只有钚和镎在地球中自然出现。超铀元素的寿命比地球的年龄短，因此许多这类的元素都早已衰变了，只有微量的钚-244例外。钚和镎的自然矿藏是在铀矿中通过中子俘获产生的。

地球含有大约1.33x10⁵⁰个原子。在地球的大气层中，含有少量的惰性气体原子，例如氩和氖。大气层剩下的99%的部分，是以分子的形式存在的，包括二氧化碳、双原子的氧气和氮气。在地球的表面上，原子结合并形成了各种各样的化合物，包括水、盐、硅酸盐和氧化物。原子也可以结合起来组成不含独立分子的物质，包括晶体和液态或固态金属。

虽然原子序数大于82（铅）的元素已经知道是放射性的，但是对于原子序数大于103的元素，提出了“稳定岛”的概念。这些超重元素可能有一个比其它原子核要稳定的原子核。最有可能的稳定超重元素是Ubh，它有126个质子和184个中子。

每一个粒子都有一个对应的反物质粒子，电荷相反。不知道什么原因，宇宙中的反物质非常稀少，在自然界中也没有发现任何反原子。然而，1996年，在日内瓦的欧洲核子研究中心，首次合成了反氢─氢的反物质。

把原子中的质子、中子或电子用相等电荷的其它粒子代替，可以形成奇异原子。例如，将电子用质量更大的μ子代替，能形成μ子原子。这些类型的原子可以用来测试物理学的基本预言。