知識小檔案：原子
原 子
原子是能保持其化學性質的最小單位。
從理論上講，原子有正原子和負原子之分，正原子的原子核由帶正電的質子和中子組成，而負原子的原子核由帶負電的反質子和中子組成。當質子數與電子數相同時，這個原子是電中性的，否則就帶有正電荷或負電荷。
原子核外分布著電子，電子躍遷產生光譜，它決定了一個元素的化學性質，並且對原子的磁性產生影響。
所有質子數相同的原子組成某一種元素，絕大多數元素都有由中子數所確定的一個或幾個不穩定的同位素，並以放射性衰變方式演化。
1.原子模型理論
道爾頓原子模型
1803年，英國自然科學家約翰·道爾頓提出了世界上第一個原子的理論模型。其理論要點是：所有物質都是由微小的、不可再分的物質微粒—原子所組成；同種元素原子的性質和質量相同，不同元素的原子主要表現為質量的不同；原子是微小的、不可再分的實心球體；在化學反應中，原子僅僅是重新排列，而不會被創造或者消失。
雖然這是一個失敗的原子模型，但由於道爾頓第一次將原子從哲學帶入了化學研究中，為科學家們明確了探索方向，因而道爾頓仍然被後人譽為「近代化學之父」。
葡萄乾布丁模型
1897年，物理學家約瑟夫·湯姆生髮現電子粉碎了一直以來認為原子不可再分的設想。湯姆生在發現電子的基礎上提出了原子的葡萄乾布丁模型，也是第一個存在著亞原子結構的原子模型。湯姆生認為：正電荷像流體一樣均勻分布在原子中，電子就像葡萄乾一樣散布在正電荷中，正負電荷相互抵消；在受到激發時，電子會離開原子，產生陰極射線。
在湯姆生提出葡萄乾布丁模型的同年，日本科學家提出了土星模型，認為電子並不是均勻分布，而是集中分布在原子核外圍的一個固定軌道上。
行星模型
1909年，湯姆生的學生盧瑟福完成了α粒子轟擊金箔的散射實驗，否認了葡萄乾布丁模型的正確性。盧瑟福以經典電磁學為理論基礎，提出了行星模型，其主要內容是：原子的大部分體積是空的；在原子的中心有一個體積很小、密度極大的原子核；原子的全部正電荷在原子核內，且幾乎全部質量均集中在原子核內部；帶負電的電子在核空間進行高速的繞核運動。
但是，隨著科學的進步，氫原子線狀光譜的事實表明行星模型是不正確的。
玻爾的原子模型
為了解釋氫原子線狀光譜這一事實，盧瑟福的學生玻爾接受了普朗克的量子論和愛因斯坦的光子概念，在行星模型的基礎上於1913年提出了核外電子分層排布的原子結構模型。玻爾原子結構模型的基本觀點是：①電子在確定的圓周軌道上繞原子核運動，不輻射能量。②在不同軌道上運動的電子具有不同的能量，且能量是量子化的，軌道能量值依n（=1，2，…）的增大而升高，n稱為量子數。而不同的軌道則分別被命名為K（n=1)、L(n=2)、M(n=3)、N(n=4)、O(n=5)、P（n=6）、Q（n=7)。③當且僅當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，才會輻射或吸收能量。如果輻射或吸收的能量以光的形式表現並被記錄下來，就形成了光譜。
玻爾的原子模型很好的解釋了氫原子的線狀光譜，但對於更加複雜的光譜現象卻無能為力。
現代量子力學模型
在玻爾原子模型的基礎上，物理學家德布羅意、薛定諤和海森堡等人經過13年的艱苦論證，形成了現代量子力學模型，能很好地解釋許多複雜的光譜現象，其核心是波動力學。玻爾模型里，軌道只有一個量子數（主量子數），現代量子力學模型則引入了更多的量子數。
①.主量子數：主量子數決定不同的電子亞層，符號「n」，命名為K、L、M、N、O、P、Q。
②.角量子數：角量子數決定不同的能級，符號「l」，共n個值（1，2，…)，用s、p、d、f、g等表示。對多電子原子來說，電子的運動狀態與l有關。
③.磁量子數：磁量子數決定不同能級的軌道，符號「m」，僅在外加磁場時有用。（「n」、「l」、「m」這三個量確定一個原子的運動狀態）
④.自旋量子數：處於同一軌道的電子有兩種自旋，即「↑↓」自旋現象的實質還在探討當中。
2.原子的基本構成
構成原子的電子、質子、中子被統稱為亞原子粒子。質子帶有一個正電荷，質量是電子質量的1836倍，為1.6726×10?27kg，其中部分質量可以轉化為原子結合能。中子不帶電荷，自由中子的質量是電子質量的1839倍，為1.6929×10?27kg。中子和質子的幾何尺寸相仿，均在2.5×10?15m這一數量級。它們的表面構型無法精確定義。
在標準模型理論中，質子和中子都由夸克構成。夸克屬於費米子的一種，是構成物質的兩個基本組分之一（另外一個基本組份被稱作輕子，例如電子就是輕子）。夸克共有六種，每一種都帶有分數的電荷，不是+2/3就是-1/3。質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，而中子則是由一個上夸克和兩個下夸克組成（由此解釋為什麼中子和質子的電荷和質量均有差別）。夸克由強相互作用結合在一起的，但要有膠子作為中介。膠子屬於規範玻色子，是一種傳遞力的基本粒子。
亞原子粒子具有量子化特徵和波粒二象性，可以用λ=h/p=h/mv描寫。式中λ為波長，p為動量，h為普朗克常數（6.626×10?34J·S)。
電子和電子云
在一個接近真空、兩端封有金屬電極的玻璃管通上高壓直流電，陰極一端便會發出陰極射線。熒光屏可以顯示這種射線的方向，如果外加一個勻強電場，陰極射線會偏向陽極；又若在玻璃管內裝上轉輪，射線可以使轉輪轉動。後經證實，陰極射線是一群帶有負電荷的高速質點，即電子流。電子由此被發現。
電子是最早發現的亞原子粒子，也是目前為止所有粒子中最輕的，只有9.11×10?31kg，為氫原子的[1/1836.152701(37)]，是密立根在1910年前後通過著名的「油滴實驗」做出的。電子帶有一個單位的負電荷，即4.8×10?19靜電單位或1.6×10?19庫倫，其幾何用現有技術無法測量。現代物理學認為，電子屬於輕子，是構成物質的基本單位之一。
電子具有波粒二象性，不能像描述宏觀物體那樣描寫它的行為，只能指出它在原子核外某處出現的可能性大小（幾率）。電子在原子核各處出現的幾率是不同的，有些地方出現的幾率大，有些地方出現的幾率很小。如果將電子在核外各處出現的幾率用小黑點描繪出來（出現幾率大，小黑點就多），便可得到一種略具直觀性的圖像。這樣一來，原子核彷彿被帶負電荷的電子云物所籠罩，故稱電子云。
氫原子的電子云圖像
在一個原子中，電子和質子相互吸引，電子被束縛在一個環繞著原子核的靜電位勢阱中，電子要從這個勢阱中逃逸則需要從外部獲得能量。電子離原子核越近，吸引力越大。與外層電子相比，離核近的電子需要更多能量才能逃逸。
每一個原子軌道都對應一個電子的能級。電子可以通過吸收一個帶有足夠能量的光子而躍遷到一個更高的能級。同樣，自發輻射則是高能級態的電子躍遷到一個低能級態，並釋放出光子。電子的不同量子態之間的躍遷出現的能量差，可以用來解釋原子譜線。
如果把核外電子出現幾率相等的地方連接起來，幾率分布大的（例如90%或95%）為電子云的界面，界面外的幾率會很小。象這樣的高密度帶就是原子軌道，它與宏觀的軌道有所不同。換一句話說，電子圍繞原子核運動的軌跡集合是一個球面或橢球面上的帶狀形。
在原子核中除去或增加一個電子所需要的能量遠遠小於核子的結合能，這種能量被稱為電子結合能。例如：奪去氫原子中基態電子只需要13.6eV。當電子數與質子數相等時，原子是電中性的。如果電子數大於或小於質子數，該原子帶有電荷，被稱為離子。原子最外層電子可以移動至相鄰的原子，也可以由兩個原子所共有。正是由於有了這種機理，原子才能夠鍵合形成分子或其他種類的化合物，例如離子或共價的網狀晶體。
原子軌道是薛定諤方程的合理解。該方程的解ψ是x、y、z的函數ψ（x，y，z)。為了更形象地描述波函數的意義，通常用球坐標來描述波函數，即ψ（r，θ，φ)=R(r)·Y(θ，φ)，這裡R(r)是與徑向分布有關的函數，稱為徑向分布函數；Y(θ，φ)是與角度分布有關的，稱為角度分布波函數。
原子核
在α粒子散射實驗中，人們發現原子的質量集中於一個很小且帶正電的物質中，這就是原子核，由原子中所有的質子和中子結合而成，它們一起被稱為核子。原子核的半徑約等於1.07×A1/3fm，其中A是核子的總數。原子半徑的數量級大約是105fm，因此原子核的半徑遠遠小於原子的半徑，核子被能在短距離上起作用的強力所束縛。在線度為10?15m的區域內，強力遠遠大於靜電力，它能夠克服帶正電的質子間的相互排斥。核力的作用範圍被稱作力程，在2.5fm左右，不超過3fm，因此核力屬於短程力，不能從一個原子核延伸到另一個原子核。
同種元素的原子帶有相同數量的質子，這個數也被稱作原子序數。而對於某種特定的元素，中子數是可以變化的，這也就決定了該原子是這種元素的哪一種同位素。質子數量和中子數量決定了該原子是這種元素的哪一種核素，而中子數決定了該原子的穩定程度。
如果一個原子核的質子數和中子數不相同，那麼該原子核很容易發生放射性衰變，使得質子數和中子數更加相近。因此，質子數和中子數相同或很相近的原子更不容易衰變。但是，隨原子序數逐漸增加，質子之間的排斥力增強，這就需要更多的中子來使整個原子核變得穩定。當原子序數大於20時，就不能找到一個質子數與中子數相等而又穩定的原子核了。隨Z的增加，中子和質子的比例逐漸趨於1.5。
3.原子所表現的性質
放射性
每一種元素都有一個或多個同位素的原子核是不穩定的，當原子核的半徑大於強力作用的半徑時，放射性衰變即可能發生。每一种放射性同位素都有一個特徵衰變期間，即半衰期。半衰期就是一半樣品發生衰變所需要的時間。常見的放射性衰變包括：
α衰變：原子核釋放一個α粒子（氦核），產生一個原子序數低一些的新元素。
β衰變：這種衰變屬於弱相互作用的現象，衰變中由一個中子轉變成一個質子或者由一個質子轉變成一個中子。前者伴隨一個電子和一個反中微子的釋放，後者釋放一個正電子和一個中微子。所釋放的電子或正電子被叫做β粒子。β衰變的結果是該原子的原子序數增加或減少。
γ衰變：原子核的能級降低，釋放出電磁波輻射，通常在釋放了α粒子或β粒子之後發生。
其它比較罕見的放射性衰變有：釋放中子或質子，釋放核子團或電子團，以及通過內轉換產生高速的電子（非β射線）或高能的光子（非γ射線）。
磁矩
如同物體圍繞質心旋轉具有角動量一樣，在量子力學中被叫做自旋。但嚴格講，由於物質微粒僅僅是一些點，它是不能夠旋轉的。自旋的單位釆用約化普朗克常數，電子、質子和中子的自旋都是1/2。在原子里，電子圍繞原子核運動，它們除了自旋還有軌道角動量。而對於原子核來說，軌道角動量起源於自身的自旋。
客觀上，一個旋轉的帶電物體能夠產生磁場，一個原子所產生的磁場就是它的磁矩，它是由角動量決定的。按照泡利不相容原理，當電子成對時總是一個自旋朝上而另外一個自旋朝下。這樣，它們產生的磁場相互抵消。對於某些帶有偶數個電子的原子，總磁偶極矩會減少至零。而電子總數為奇數的原子，例如鐵，將產生一個凈磁矩。同時，由於相鄰原子的軌道可能重疊，未成對電子會朝向同一方向，使體系的總能量最低。這種過程被稱為交換相互作用（交互作用）。鐵磁性物質的磁動量的朝向一致，將擁有一個宏觀可測的磁場。順磁性材料中，在沒有外部磁場的情況下，原子磁矩都是隨機分布的，一旦施加外磁場，所有原子都會統一朝向而產生磁場。
原子核也可以存在凈自旋。雖然通常的物質原子核都是隨機朝向的，但也有一些特定元素（例如氙-129），一部分核自旋也是可能被極化的，這個狀態被叫做超極化，在核磁共振成像中得到應用。
能級
原子中電子的勢能與它離原子核的距離成反比。測量電子勢能，通常是測量電子脫離原子所需要的能量（單位是電子伏特eV）。在量子力學模型中，電子只能佔據一組以原子核為中心的狀態，每一個狀態對應於一個能級。最低的能級叫做基態，更高的能級叫做激發態。電子發生能級之間躍遷的前提條件是它吸收或者釋放的能量必須與這兩個能級之間的能量差一致。由於釋放的光子能量只與光子的頻率有關，並且能級是不連續的，所以在電磁波譜中就會出現一些不連續的帶。每一種元素都有一個特徵波譜，特徵波譜取決於核電荷的多少、電子填充的情況、電子之間的電磁相互作用等因素。
當一束全譜混合光經過一團氣體或者一團等離子體後，一些光子會被原子吸收，引起原子內的電子躍遷。而處於激發態的電子會自發返回低能態，並以發射光子的形式釋放能量，這時原子取一個隨機的方向。前者使原子有了類似於濾鏡的功能，觀測者在最後接收到的光譜中會發現一些黑色的吸收能帶。而後者的光線不在同一條直線上，觀察者看到的是一些不連續的譜線，它實際上就是那些原子的發射譜線。對譜線進行光譜學測量能夠了解物質的組成及其物理性質。
現在，科學家們發現一些譜線有裂分的精細結構。這是因為自旋與最外層電子運動間的相互作用帶來的，被稱作自旋-軌道耦合。當原子位於外部磁場中時，譜線能夠裂分成三個或多個部分，這個現象叫做塞曼效應，它是原子的磁矩及其電子與外部磁場的相互作用的表現。一些原子擁有許多相同能級電子，只產生一條譜線。當這些原子被安置在外部磁場中時，這幾種電子排布的能級就有了一些細小的區別，這樣就出現了裂分。外部電場的存在也能導致類似現象，被稱為斯塔克效應。
如果一個光子能夠使電子受激輻射，電子釋出的是一個擁有相同能量的光子，其前提條件是電子返回低能級時所釋出的能量與光子的能量一致。這時，受激釋放的光子與原光子向同一個方向運動，即這兩個光子的波是同步的。激光就是根據這個原理設計出來的。
態
原子可以處於不同的相態，但物相與物理條件相關，例如溫度與壓強。通過改變這些條件，物質可以在固、液、氣、等離子體之間轉換。在同一種相態中，物質也可以有不同的形態，例如固態的碳就有石墨和金剛石兩種形態。
當溫度靠近絕對零度時，原子將凝聚成玻色-愛因斯坦凝聚態。這些超冷的原子可以被視為一個超原子，科學家們利用這種物態研究分析量子力學的一些基本原理。
4.原子起源和現狀
穩定的質子和電子在大爆炸後的一秒鐘內出現，在接下來的三分鐘之內，太初核合成產生了宇宙中大部分的氦、鋰和氘，有可能也產生了一些鈹和硼。在理論上，有束縛電子的原子是在大爆炸後大約380000年產生的，這被稱為重新結合時代，宇宙已經冷卻到足以使電子與原子核結合了。自此，原子核開始在恆星中通過核聚變的過程結合，產生各種各樣的元素。
組成地球的原子是在太陽系剛形成的時候就已經存在了的。還有一部分原子是核衰變的結果，它們的相對比率可以通過放射性定年法決定地球的年齡。大部分地殼中的氦都是α衰變的產物。
地球上也有很少的原子既不是在一開始就存在的，也不是放射性衰變的結果。例如碳-14是大氣中的宇宙射線所產生的。在所有超鈾元素─原子序數大於92的元素中，只有鈈和鎿在地球中自然出現。超鈾元素的壽命比地球的年齡短，因此許多這類的元素都早已衰變了，只有微量的鈈-244例外。鈈和鎿的自然礦藏是在鈾礦中通過中子俘獲產生的。
地球含有大約1.33x1050個原子。在地球的大氣層中，含有少量的惰性氣體原子，例如氬和氖。大氣層剩下的99%的部分，是以分子的形式存在的，包括二氧化碳、雙原子的氧氣和氮氣。在地球的表面上，原子結合併形成了各種各樣的化合物，包括水、鹽、硅酸鹽和氧化物。原子也可以結合起來組成不含獨立分子的物質，包括晶體和液態或固態金屬。
雖然原子序數大於82（鉛）的元素已經知道是放射性的，但是對於原子序數大於103的元素，提出了「穩定島」的概念。這些超重元素可能有一個比其它原子核要穩定的原子核。最有可能的穩定超重元素是Ubh，它有126個質子和184個中子。
每一個粒子都有一個對應的反物質粒子，電荷相反。不知道什麼原因，宇宙中的反物質非常稀少，在自然界中也沒有發現任何反原子。然而，1996年，在日內瓦的歐洲核子研究中心，首次合成了反氫─氫的反物質。
把原子中的質子、中子或電子用相等電荷的其它粒子代替，可以形成奇異原子。例如，將電子用質量更大的μ子代替，能形成μ子原子。這些類型的原子可以用來測試物理學的基本預言。
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