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原子

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原子
氦原子基態(tài)
氦原子結(jié)構(gòu)示意圖。圖中灰階顯示對(duì)應(yīng)電子云于1s原子軌域之機(jī)率密度函數(shù)的積分強(qiáng)度。而原子核僅為示意，質(zhì)子以粉紅色、中子以紫色表示。事實(shí)上，原子核（與其中之核子的波函數(shù)）也是球型對(duì)稱的。（對(duì)于更復(fù)雜的原子核則非如此）
分類
化學(xué)元素可分割的最小單元
性質(zhì)
質(zhì)量： ≈ 1.67 × 10-27至4.52 × 10-25 kg
電荷： 0（當(dāng)原子的電子數(shù)與質(zhì)子數(shù)相等時(shí)）
直徑：（數(shù)據(jù)頁(yè)） 50 pm（H）至520 pm（Cs）
可觀測(cè)宇宙中的原子總數(shù)： ~1080 [1]

原子是一種元素能保持其化學(xué)性質(zhì)的最小單位。一個(gè)正原子包含有一個(gè)致密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負(fù)電的電子。而負(fù)原子的原子核帶負(fù)電，周圍的負(fù)電子帶正電。正原子的原子核由帶正電的質(zhì)子和電中性的中子組成。負(fù)原子原子核中的反質(zhì)子帶負(fù)電，從而使負(fù)原子的原子核帶負(fù)電。當(dāng)質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)相同時(shí)，這個(gè)原子就是電中性的；否則，就是帶有正電荷或者負(fù)電荷的離子。根據(jù)質(zhì)子和中子數(shù)量的不同，原子的類型也不同：質(zhì)子數(shù)決定了該原子屬于哪一種元素，而中子數(shù)則確定了該原子是此元素的哪一個(gè)同位素。

原子的英文名（Atom）是從希臘語(yǔ)?τομο?（atomos，“不可切分的”）轉(zhuǎn)化而來。很早以前，希臘和印度的哲學(xué)家就提出了原子的不可切分的概念。17和18世紀(jì)時(shí)，化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了物理學(xué)的根據(jù)：對(duì)于某些物質(zhì)，不能通過化學(xué)手段將其繼續(xù)的分解。19世紀(jì)晚期和20世紀(jì)早期，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了亞原子粒子以及原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由此證明原子并不是不能進(jìn)一步切分。量子力學(xué)原理能夠?yàn)樵犹峁┖芎玫哪Ｐ汀?sup id="cite_ref-1" class="reference">[2][3]

與日常體驗(yàn)相比，原子是一個(gè)極小的物體，其質(zhì)量也很微小，以至于只能通過一些特殊的儀器才能觀測(cè)到單個(gè)的原子，例如掃描隧道顯微鏡。原子的99.9%的重量集中在原子核，[4]其中的質(zhì)子和中子有著相近的質(zhì)量。每一種元素至少有一種不穩(wěn)定的同位素，可以進(jìn)行放射性衰變。這直接導(dǎo)致核轉(zhuǎn)化，即原子核中的中子數(shù)或質(zhì)子數(shù)發(fā)生變化。[5]電子占據(jù)一組穩(wěn)定的能級(jí)，或者稱為軌道。當(dāng)它們吸收和放出光子的時(shí)候，電子也可以在不同能級(jí)之間跳躍，此時(shí)吸收或放出光子的能量與能級(jí)之間的能量差相等。電子決定了一個(gè)元素的化學(xué)屬性，并且對(duì)原子的磁性有著很大的影響。

目錄

歷史

主條目：原子理論

大約在兩千五百年前，希臘哲學(xué)家對(duì)物質(zhì)的組成問題爭(zhēng)論不休。原子派認(rèn)為物質(zhì)在被無數(shù)次地分割之后，最終會(huì)小到無法分割。原子（atom)一詞源自希臘語(yǔ)，意思是‘不可分割’。在1803年到1807年之間，英國(guó)化學(xué)家道耳頓發(fā)展了這些觀點(diǎn)并將它用在它的原子學(xué)說中。他相信原子既不能被創(chuàng)造也不能被消滅。任何一個(gè)元素里所含的原子都是一樣的。

關(guān)于物質(zhì)是由離散單元組成且能夠被任意的分割的概念流傳了幾千年，但這些想法只是基于抽象的、哲學(xué)的推理，而非實(shí)驗(yàn)和實(shí)證觀察。隨著時(shí)間的推移以及文化及學(xué)派的轉(zhuǎn)變，哲學(xué)上原子的性質(zhì)也有著很大的改變而這種改變往往還帶有一些精神因素。盡管如此，對(duì)于原子的基本概念在數(shù)千年后仍然被化學(xué)家們采用，因?yàn)樗軌蚝芎?jiǎn)潔地闡述一些化學(xué)界的新發(fā)現(xiàn)。[6]

原子論

原子論（英語(yǔ)：Atomism，來自古希臘語(yǔ)atomos，含義為“不可分割”）是在一些古代傳統(tǒng)中發(fā)展出的一種自然哲學(xué)。原子論者將自然世界理論化為由兩基本部分所構(gòu)成：不可分割的原子和空無的虛空（void）。

依據(jù)亞里士多德引述，原子是不可構(gòu)造的和永恒不變的，并且形狀和大小有無窮的變化。它們?cè)诳諢o（empty）中移動(dòng)，相互碰離，有時(shí)變成與一個(gè)或多個(gè)其他原子相鉤結(jié)而形成聚簇（cluster）。不同形狀、排列和位置的聚簇引起世界上各種宏觀物質(zhì)（substance）。

對(duì)原子概念的記述可以上溯到古印度和古希臘。有人將印度的耆那教的原子論認(rèn)定為開創(chuàng)者大雄在公元前6世紀(jì)提出，并將與其同時(shí)代的彼浮陀伽旃延和順世派先驅(qū)阿夷陀翅舍欽婆羅的元素思想也稱為原子論。正理派和勝論派后來發(fā)展出了原子如何組合成更復(fù)雜物體的理論。在西方，對(duì)原子的記述出現(xiàn)在公元前5世紀(jì)留基伯和德謨克利特的著作中。對(duì)于印度文化影響希臘還是反之，亦或二者獨(dú)立演化是存在爭(zhēng)議的。

科學(xué)理論

直到化學(xué)作為一門科學(xué)開始發(fā)展的時(shí)候，對(duì)原子才有了更進(jìn)一步的理解。1661年，自然哲學(xué)家羅伯特·波義耳出版了《懷疑的化學(xué)家》一書，書中他聲稱物質(zhì)是由不同的“微?！被蛟?a href="/w/%E8%87%AA%E7%94%B1%E7%BB%84%E5%90%88" title="自由組合">自由組合構(gòu)成的，而并不是由諸如氣、土、火、水等基本元素構(gòu)成。[7]1789年，既是法國(guó)貴族，又是科學(xué)研究者的拉瓦錫定義了元素一詞，從此，元素就用來表示化學(xué)變化中的最小的單位。[8]

現(xiàn)代原子理論

道耳頓的理想沒有涉及原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)。隨后，在1897年，第一個(gè)亞原子粒子--電子，被發(fā)現(xiàn)。1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福發(fā)現(xiàn)每一個(gè)原子都含有一個(gè)比重很大并且?guī)д姷脑雍恕?932年中子又被發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)代化學(xué)認(rèn)為原子由原子核及繞核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成。原子核中含有許多質(zhì)子和中子。質(zhì)子和中子要比電子重一千八百多倍。質(zhì)子的帶電量是一個(gè)單位的正電荷，電子是一個(gè)單位的負(fù)電荷，中子不帶電。

道爾頓《化學(xué)哲學(xué)新體系》一書中描述的各種原子和分子。1808年

1803年，英語(yǔ)教師及自然哲學(xué)家約翰·道爾頓用原子的概念解釋了為什么不同元素總是呈整數(shù)倍反應(yīng)，即倍比定律；也解釋了為什么某些氣體比另外一些更容易溶于水。他提出每一種元素只包含唯一一種原子，而這些原子相互結(jié)合起來就形成了化合物。[9][10]

1827年，英國(guó)植物學(xué)家羅伯特·布朗在使用顯微鏡觀察水面上灰塵的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)它們進(jìn)行著不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步證明了微粒學(xué)說。后來，這一現(xiàn)象被稱為為布朗運(yùn)動(dòng)。德紹兒克思在1877年提出這種現(xiàn)象是由于水分子的熱運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的。1905年，愛因斯坦提出了第一個(gè)數(shù)學(xué)分析的方法，證明了這個(gè)猜想。[11][12][13]

在關(guān)于陰極射線的工作中，物理學(xué)家約瑟夫·湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子以及它的亞原子特性，粉碎了一直以來認(rèn)為原子不可再分的設(shè)想。[14]湯姆孫認(rèn)為電子是平均的分布在整個(gè)原子上的，就如同散布在一個(gè)均勻的正電荷的海洋之中，它們的負(fù)電荷與那些正電荷相互抵消。這也叫做梅子布丁模型。

然而，在1909年，在物理學(xué)家盧瑟福的指導(dǎo)下，研究者們用氦離子轟擊金箔。他們意外的發(fā)現(xiàn)有很小一部分離子的偏轉(zhuǎn)角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用湯姆孫假設(shè)所預(yù)測(cè)值。盧瑟福根據(jù)這個(gè)金箔實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提出原子中大部分質(zhì)量和正電荷都集中在位于原子中心的原子核當(dāng)中，電子則像行星圍繞太陽(yáng)一樣圍繞著原子核。帶正電的氦離子在穿越原子核附近時(shí)，就會(huì)被大角度的反射。[15]

1913年，在進(jìn)行有關(guān)對(duì)放射性衰變產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)中，放射化學(xué)家弗雷德里克·索迪發(fā)現(xiàn)對(duì)于元素周期表中的每個(gè)位置，不僅僅只有一種原子。[16] 瑪格麗特·陶德創(chuàng)造了同位素一詞，來表示同一種元素中不同種類的原子。在進(jìn)行關(guān)于離子氣體的研究過程中，湯姆孫發(fā)明了一種新技術(shù)，可以用來分離不同的同位素，最終導(dǎo)致了穩(wěn)定同位素的發(fā)現(xiàn)。[17]

氫原子的玻爾模型，展示了一個(gè)電子在兩個(gè)固定軌道之間躍遷并釋放出一個(gè)特定頻率的光子。

與此同時(shí)，物理學(xué)家玻爾重新審視了盧瑟福的模型，他認(rèn)為電子應(yīng)該位于確定的軌道之中，并且能夠在不同軌道之間跳躍，而不是像先前認(rèn)為那樣可以自由的向內(nèi)或向外移動(dòng)。電子在這些固定軌道間跳躍時(shí)，必須吸收或者釋放特定的能量。[18]當(dāng)熱源產(chǎn)生的一束光穿過棱鏡時(shí)，能夠產(chǎn)生一個(gè)多彩的光譜。應(yīng)用軌道躍遷的理論就能夠很好的解釋光譜中存在的位置不變的線條。[19]

1916年，路易士發(fā)現(xiàn)化學(xué)鍵的本質(zhì)就是兩個(gè)原子間電子的相互作用。[20]眾所周之，元素的化學(xué)性質(zhì)按照周期律反復(fù)的循環(huán)。[21]1919年，美國(guó)化學(xué)家歐文·朗繆爾提出原子中的電子以某種性質(zhì)相互連接或者說相互聚集。一組電子占有一個(gè)特定的電子層。[22]

1926年，薛定諤使用路易·德布羅意于1924年提出的波粒二象性的假說，建立了一個(gè)原子的數(shù)學(xué)模型，用來將電子描述為一個(gè)三維波形。使用波形來描述電子的一個(gè)直接后果就是在數(shù)學(xué)上不能夠同時(shí)得到位置和動(dòng)量的精確值，1926年，海森堡建立了相關(guān)的方程，這也就是后來著名的不確定性原理。這個(gè)概念描述的是，對(duì)于測(cè)量的某個(gè)位置，只能得到一個(gè)不確定的動(dòng)量范圍，反之亦然。盡管這個(gè)模型很難想象，但它能夠解釋一些以前觀測(cè)到卻不能解釋的原子的性質(zhì)，例如比氫更大的原子的譜線。因此，人們不再使用原子的行星模型，而更傾向于將原子軌道視為電子存在概率的區(qū)域。[23][24]

一個(gè)質(zhì)譜儀的簡(jiǎn)易原理圖

質(zhì)譜的發(fā)明使得科學(xué)家可以直接測(cè)量原子的準(zhǔn)確質(zhì)量。該設(shè)備通過使用一個(gè)磁體來彎曲一束離子，而偏轉(zhuǎn)量取決于原子的質(zhì)荷比。弗朗西斯·阿斯頓使用質(zhì)譜證實(shí)了同位素有著不同的質(zhì)量，并且同位素間的質(zhì)量差都為一個(gè)整數(shù)，這被稱為整數(shù)規(guī)則。[25]1932年，詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，解釋了這一個(gè)問題。中子是一種中性的粒子，質(zhì)量與質(zhì)子相仿。同位素則被重新定義為有著相同質(zhì)子數(shù)與不同中子數(shù)的元素。[26]

1950年代，隨著粒子加速器及粒子探測(cè)器的發(fā)展，科學(xué)家們可以研究高能粒子間的碰撞。[27]他們發(fā)現(xiàn)中子和質(zhì)子是強(qiáng)子的一種，由更小的夸克微粒構(gòu)成。核物理的標(biāo)準(zhǔn)模型也隨之發(fā)展，能夠成功的在亞原子水平解釋整個(gè)原子核以及亞原子粒子之間的相互作用。[28]

1985年左右，朱棣文及其同事在貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種新技術(shù)，能夠使用激光來冷卻原子。威廉·丹尼爾·菲利普斯團(tuán)隊(duì)設(shè)法將鈉原子置于一個(gè)磁阱中。這兩個(gè)技術(shù)加上由克洛德·科昂-唐努德日?qǐng)F(tuán)隊(duì)基于多普勒效應(yīng)開發(fā)的一種方法，可以將少量的原子冷卻至微開爾文的溫度范圍，這樣就可以對(duì)原子進(jìn)行很高精度的研究，這也直接導(dǎo)致了玻色-愛因斯坦凝聚的發(fā)現(xiàn)。[29]

歷史上，因?yàn)閱蝹€(gè)原子過于微小，被認(rèn)為不能夠進(jìn)行科學(xué)研究。最近，科學(xué)家已經(jīng)成功使用一單個(gè)金屬原子與一個(gè)有機(jī)配體連接形成一個(gè)單電子晶體管。[30]在一些實(shí)驗(yàn)中，通過激光冷卻的方法將原子減速并捕獲，這些實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇韺?duì)于物質(zhì)更好的理解。[31]

原子的組成

亞原子粒子

主條目：亞原子粒子

盡管原子的英文名稱（atom）本意是不能被進(jìn)一步分割的最小粒子，但是在現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域，原子實(shí)際上包含了很多不同的亞原子粒子。它們分別是電子，質(zhì)子和中子。氫原子和帶一個(gè)正電荷的氫離子例外，前者沒有中子，后者只有一個(gè)質(zhì)子。

質(zhì)子帶有一個(gè)正電荷，質(zhì)量是電子質(zhì)量的1836倍，為1.6726×10?27kg，然而部分質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為原子結(jié)合能。中子不帶電荷，自由中子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的1839倍，為1.6929×10?27kg。[32]中子和質(zhì)子的尺寸相仿，均在2.5×10?15m這一數(shù)量級(jí)，但它們的表面并沒能精確定義。[33]

在物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論中，質(zhì)子和中子都由名叫夸克的基本粒子構(gòu)成?？淇耸琴M(fèi)米子的一種，也是構(gòu)成物質(zhì)的兩個(gè)基本組分之一。另外一個(gè)基本組份被稱作是輕子，電子就是輕子的一種?？淇斯灿辛N，每一種都帶有分?jǐn)?shù)的電荷，不是+2/3就是-1/3。質(zhì)子就是由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，而中子則是由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組成。這個(gè)區(qū)別就解釋了為什么中子和質(zhì)子電荷和質(zhì)量均有差別。夸克由強(qiáng)相互作用結(jié)合在一起的，由膠子作為中介。膠子是規(guī)范玻色子的一員，是一種用來傳遞力的基本粒子。[34][35]

原子核

主條目：原子核
這個(gè)圖展示了不同同位素中，將核子連在一起所需要的能量。

原子中所有的質(zhì)子和中子結(jié)合起來就形成了一個(gè)很小的原子核，它們一起也可以被稱為核子。原子核的半徑約等于\begin{smallmatrix}1.07 \cdot \sqrt[3]{A}\end{smallmatrix}  fm其中A是核子的總數(shù)。[36]原子半徑的數(shù)量級(jí)大約是105fm，因此原子核的半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原子的半徑。核子被能在短距離上起作用的殘留強(qiáng)力束縛在一起。當(dāng)距離小于2.5fm的時(shí)候，強(qiáng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜電力，因此它能夠克服帶正電的質(zhì)子間的相互排斥。[37]

同種元素的原子帶有相同數(shù)量的質(zhì)子，這個(gè)數(shù)也被稱作原子序數(shù)。而對(duì)于某種特定的元素，中子數(shù)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(zhì)子數(shù)量和中子數(shù)量決定了該原子是這種元素的哪一種核素。中子數(shù)決定了該原子的穩(wěn)定程度，一些同位素能夠自發(fā)進(jìn)行放射性衰變。[38]

中子和質(zhì)子都是費(fèi)米子的一種，根據(jù)量子力學(xué)中的泡利不相容原理，不可能有完全相同的兩個(gè)費(fèi)米子同時(shí)擁有一樣量子物理態(tài)。因此，原子核中的每一個(gè)質(zhì)子都占用不同的能級(jí)，中子的情況也與此相同。不過泡利不相容原理并沒有禁止一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子擁有相同的量子態(tài)。[39]

如果一個(gè)原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)不相同，那么該原子核很容易發(fā)生放射性衰變到一個(gè)更低的能級(jí)，并且使得質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)更加相近。因此，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)相同或很相近的原子更加不容易衰變。然而，當(dāng)原子序數(shù)逐漸增加時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)子之間的排斥力增強(qiáng)，需要更多的中子來使整個(gè)原子核變的穩(wěn)定，所以對(duì)上述趨勢(shì)有所影響。因此，當(dāng)原子序數(shù)大于20時(shí)，就不能找到一個(gè)質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)相等而又穩(wěn)定的原子核了。隨著Z的增加，中子和質(zhì)子的比例逐漸趨于1.5。[39]

核聚變示意圖，圖中兩個(gè)質(zhì)子聚變生成一個(gè)包含有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子的氘原子核，并釋放出一個(gè)正電子（電子的反物質(zhì)）以及一個(gè)電子中微子。

原子核中的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)也是可以變化的，不過因?yàn)樗鼈冎g的力很強(qiáng)，所以需要很高的能量，當(dāng)多個(gè)粒子聚集形成更重的原子核時(shí)，就會(huì)發(fā)生核聚變，例如兩個(gè)核之間的高能碰撞。在太陽(yáng)的核心，質(zhì)子需要3-10KeV的能量才能夠克服它們之間的相互排斥，也就是庫(kù)侖障壁，進(jìn)而融合起來形成一個(gè)新的核。[40]與此相反的過程是核裂變，在核裂變中，一個(gè)核通常是經(jīng)過放射性衰變，分裂成為兩個(gè)更小的核。使用高能的亞原子粒子或光子轟擊也能夠改變?cè)雍?。如果在一個(gè)過程中，原子核中質(zhì)子數(shù)發(fā)生了變化，則此原子就變成了另外一種元素的原子了。[41][42]

如果核聚變后產(chǎn)生的原子核質(zhì)量小于聚變前原子質(zhì)量的總和，那么根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，這一些質(zhì)量的差就作為能量被釋放了。這個(gè)差別實(shí)際是原子核之間的結(jié)合能。[43]

對(duì)于兩個(gè)原子序數(shù)在鐵或鎳之前的原子核來說，它們之間的核聚變是一個(gè)放熱過程，也就是說過程釋放的能量大于將它們連在一起的能量。[44]正是因?yàn)槿绱?，才確保了恒星中的核聚變能夠自我維持。對(duì)于更重一些的原子來說，結(jié)合能開始減少，也就是說它們的核聚變會(huì)是一個(gè)吸熱過程。因此，這些更重的原子不能夠進(jìn)行產(chǎn)能的核聚變，也就不能夠維持恒星的流體靜力平衡。[39]

電子云

主條目：電子云和原子軌道
一個(gè)勢(shì)阱，顯示了要到每一個(gè)位置x所需要的最低能量V(x)。如果一個(gè)粒子的能量為E，則它將會(huì)被限制在x1和x2之間。

在一個(gè)原子中，電子和質(zhì)子因?yàn)?a href="/index.php?title=%E7%94%B5%E7%A3%81%E5%8A%9B&action=edit&redlink=1" class="new" title="電磁力（尚未撰寫）" rel="nofollow">電磁力而相互吸引，也正是這個(gè)力將電子束縛在一個(gè)環(huán)繞著原子核的靜電位勢(shì)阱中，要從這個(gè)勢(shì)阱中逃逸則需要外部的能量。電子離原子核越近，吸引力則越大。因此，與外層電子相比，離核近的電子需要更多能量才能夠逃逸。

原子軌道則是一個(gè)描述了電子在核內(nèi)的概率分布的數(shù)學(xué)方程。在實(shí)際中，只有一組離散的（或量子化的）軌道存在，其他可能的形式會(huì)很快的坍塌成一個(gè)更穩(wěn)定的形式。[45]這些軌道可以有一個(gè)或多個(gè)的環(huán)或節(jié)點(diǎn)，并且它們的大小，形狀和空間方向都有不同。[46]

前五個(gè)原子軌道的波函數(shù)。三個(gè)2p軌道中的每一個(gè)都有一個(gè)角節(jié)點(diǎn)，因此有特定的朝向。它們都有一個(gè)最小值點(diǎn)位于中心。

每一個(gè)原子軌道都對(duì)應(yīng)一個(gè)電子的能級(jí)。電子可以通過吸收一個(gè)帶有足夠能量的光子而躍遷到一個(gè)更高的能級(jí)。同樣的，通過自發(fā)輻射，在高能級(jí)態(tài)的電子也可以躍遷回一個(gè)低能級(jí)態(tài)，釋放出光子。這些典型的能量，也就是不同量子態(tài)之間的能量差，可以用來解釋原子譜線。[45]

在原子核中除去或增加一個(gè)電子所需要的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于核子的結(jié)合能，這些能量被稱為電子結(jié)合能。例如：奪去氫原子中基態(tài)電子只需要13.6eV。[47]當(dāng)電子數(shù)與質(zhì)子數(shù)相等時(shí)，原子是電中性的。如果電子數(shù)大于或小于質(zhì)子數(shù)時(shí)，該原子就會(huì)被稱為離子。原子最外層電子可以移動(dòng)至相鄰的原子，也可以由兩個(gè)原子所共有。正是由于有了這種機(jī)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(jià)的網(wǎng)狀晶體。[48]

性質(zhì)

核性質(zhì)

主條目：同位素

根據(jù)定義，任意兩個(gè)有著相同質(zhì)子數(shù)的原子屬于同一種元素，而有著相同質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的則是同一種元素中不同的同位素。例如，所有的氫原子都只有一個(gè)質(zhì)子，但氫原子的同位素有幾種，分別含有零個(gè)中子（氫-1，目前最常見的類型，有時(shí)也被稱為氕），一個(gè)中子（氘），兩個(gè)中子（氚）以及更多的中子。[49]原子序數(shù)從1（氫）到118（Uuo）均為已知元素。[50]對(duì)于所有原子序數(shù)大于82的同位素都有放射性。[51][52]

地球上自然存在約339種核素，其中255種是穩(wěn)定的，約占總數(shù)79%。[53]80種元素含有一個(gè)或一個(gè)以上的穩(wěn)定同位素。第43號(hào)元素、第61號(hào)元素及所有原子序數(shù)大于等于83的元素沒有穩(wěn)定的同位素。有十六種元素只含有一個(gè)穩(wěn)定的同位素，而擁有同位素最多的元素，錫，則有十個(gè)同位素。[54]

同位素的穩(wěn)定性不只受到質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之比的影響，也受到所謂幻數(shù)的影響，實(shí)際上幻數(shù)就代表了全滿的量子層。這些量子層對(duì)應(yīng)于原子核層模型中一組能級(jí)。在已知的269種穩(wěn)定核素中，只有四個(gè)核素同時(shí)有著奇數(shù)個(gè)質(zhì)子和奇數(shù)個(gè)中子。它們分別是：2H, 6Li, 10B和14N；對(duì)于放射性核素來說，也只有四種奇-奇核素的半衰期超過了一億年：40K, 50V, 138La和180mTa。這是因?yàn)閷?duì)于大多數(shù)奇-奇核素來說，很容易會(huì)發(fā)生β衰變，產(chǎn)生的更穩(wěn)定的偶-偶核素。[54]

質(zhì)量

主條目：原子質(zhì)量

因?yàn)樵淤|(zhì)量的絕大部分是質(zhì)子和中子的質(zhì)量，所以質(zhì)子和中子數(shù)量的總和叫做質(zhì)量數(shù)。原子的靜止質(zhì)量通常用統(tǒng)一原子質(zhì)量單位（u）來表示，也被稱作道爾頓（Da）。這個(gè)單位被定義為電中性的碳12質(zhì)量的十二分之一，約為1.6605565x10^-27千克。[55]氫最輕的一個(gè)同位素氕是最輕的原子，重量約為1.007825u。[56]一個(gè)原子的質(zhì)量約是質(zhì)量數(shù)與原子質(zhì)量單位的乘積。[57]最重的穩(wěn)定原子是鉛-208，[51]質(zhì)量為207.9766521u。[58] 就算是最重的原子，化學(xué)家也很難直接對(duì)其進(jìn)行操作，所以它們通常使用另外一個(gè)單位，摩爾。摩爾的定義是對(duì)于任意一種元素，一摩爾總是含有同樣數(shù)量的原子，約為6.022×1023。因此，如果一個(gè)元素的原子質(zhì)量為1u，一摩爾該原子的質(zhì)量就為0.001kg，也就是1克。例如，碳的原子質(zhì)量是12u，一摩爾碳的質(zhì)量則是0.012kg。[55]

大小

主條目：原子半徑

原子并沒有一個(gè)精確定義的最外層，只有當(dāng)兩個(gè)原子形成化學(xué)鍵后，通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)原子核間的距離，才能夠得到原子半徑的一個(gè)近似值。影響原子半徑的因素很多，包括在元素周期表上的位置，化學(xué)鍵的類型，周圍的原子數(shù)（配位數(shù)）以及自旋。[59]在元素周期表中，原子的半徑變化的大體趨勢(shì)是自上而下增加，而從左至右減少。[60]因此，最小的原子是氦，半徑為32pm；最大的原子是銫，半徑為225pm。[61]因?yàn)檫@樣的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見光的波長(zhǎng)（約400-700nm），所以不能夠通過光學(xué)顯微鏡來觀測(cè)它們。然而，使用掃描隧道顯微鏡我們能夠觀察到單個(gè)原子。

這里可以用一些實(shí)例來演示原子究竟有多小。一根人的頭發(fā)的寬度大約是一百萬個(gè)原子。[62]一滴水則大約有二十米（2×1021）個(gè)氧原子以及兩倍的氫原子。[63]一克拉鉆石重量為2×10-4kg，含有約100垓個(gè)碳原子。[64]如果蘋果被放大到地球的大小，那么蘋果中的原子大約就有原來蘋果那么大了。[65]

放射性

主條目：放射性
這個(gè)圖表展示了含有Z個(gè)質(zhì)子和N個(gè)中子的同位素的半衰期（T?），單位是秒

每一種元素都有一個(gè)或多個(gè)同位素?fù)碛胁环€(wěn)定的原子核，從而能發(fā)生放射性衰變，在這個(gè)過程中，原子核可以釋放出粒子或電磁輻射。當(dāng)原子核的半徑大于強(qiáng)力的作用半徑時(shí)，放射性衰變就可能發(fā)生，而強(qiáng)力的作用半徑僅為幾飛米。[66]

最常見的放射性衰變?nèi)缦拢?sup id="cite_ref-66" class="reference">[67][68]

其它比較罕見的放射性衰變還包括：釋放中子或質(zhì)子，釋放核子團(tuán)或電子團(tuán)，通過內(nèi)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生高速的電子而非β射線以及高能的光子而非伽馬射線。

每一個(gè)放射性同位素都有一個(gè)特征衰變期間，即半衰期。半衰期就是一半樣品發(fā)生衰變所需要的時(shí)間。這是一種指數(shù)衰變，即樣品在每一個(gè)半衰期內(nèi)恒定的衰變50%，換句話說，當(dāng)兩次半衰期之后，就只剩下25%的起始同位素了。[66]

磁矩

基本微粒都有一個(gè)固有性質(zhì)，就像在宏觀物理中圍繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的物體都有角動(dòng)量一樣，在量子力學(xué)中被叫做自旋。但是嚴(yán)格來說，這些微粒僅僅是一些點(diǎn)，不能夠旋轉(zhuǎn)。自旋的單位是約化普朗克常數(shù)（\hbar），電子、質(zhì)子和中子的自旋都是?\hbar。在原子里，電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，所以除了自旋，它們還有軌道角動(dòng)量。而對(duì)于原子核來說，軌道角動(dòng)量是起源于自身的自旋。[69]

正如一個(gè)旋轉(zhuǎn)的帶電物體能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)一樣，一個(gè)原子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，即它的磁矩，就是由這些不同的角動(dòng)量決定的。然后，自旋對(duì)它的影響應(yīng)該是最大的。因?yàn)殡娮拥囊粋€(gè)性質(zhì)就是要符合泡利不相容原理，即不能有兩個(gè)位于同樣量子態(tài)的電子，所以當(dāng)電子成對(duì)時(shí)，總是一個(gè)自旋朝上而另外一個(gè)自旋朝下。這樣，它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消。對(duì)于某些帶有偶數(shù)個(gè)電子的原子，總的磁偶極矩會(huì)被減少至零。[70]

對(duì)于鐵磁性的元素，例如鐵，因?yàn)殡娮涌倲?shù)為奇數(shù)，所以會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凈磁矩。同時(shí)，因?yàn)橄噜徳榆壍乐丿B等原因，當(dāng)未成對(duì)電子都朝向同一個(gè)方向時(shí)，體系的總能量最低，這個(gè)過程被稱為交換相互作用。當(dāng)這些鐵磁性元素的磁動(dòng)量都統(tǒng)一朝向后，整個(gè)材料就會(huì)擁有一個(gè)宏觀可以測(cè)量的磁場(chǎng)。順磁性材料中，在沒有外部磁場(chǎng)的情況下，原子磁矩都是隨機(jī)分布的；施加了外部磁場(chǎng)以后，所有原子都會(huì)統(tǒng)一朝向，產(chǎn)生磁場(chǎng)。[71][70]

原子核也可以存在凈自旋。由于熱平衡，通常這些原子核都是隨機(jī)朝向的。但對(duì)于一些特定元素，例如氙-129，一部分核自旋也是可能被極化的，這個(gè)狀態(tài)被叫做超極化，在核磁共振成像中有很重要的應(yīng)用。[72][73]

能級(jí)

原子中，電子的勢(shì)能與它離原子核的距離成反比。測(cè)量電子的勢(shì)能，通常的測(cè)量將讓該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(xué)模型中，電子只能占據(jù)一組以原子核為中心的狀態(tài)，每一個(gè)狀態(tài)就對(duì)應(yīng)于一個(gè)能級(jí)。最低的能級(jí)就被叫做基態(tài)，而更高的能級(jí)就被叫做激發(fā)態(tài)。[74]

電子要在兩個(gè)能級(jí)之間躍遷的前提是它要吸收或者釋放能量，該能量還必須要和這兩個(gè)能級(jí)之間的能量差一致。因?yàn)獒尫诺墓庾幽芰恐慌c光子的頻率有關(guān)，并且能級(jí)是不連續(xù)的，所以在電磁波譜中就會(huì)出現(xiàn)一些不連續(xù)的帶。[75]每一個(gè)元素都有一個(gè)特征波譜，特征波譜取決于核電荷的多少，電子的填充情況，電子間的電磁相互作用以及一些其他的因素。[76]

一個(gè)吸收譜線的例子：太陽(yáng)的夫朗和斐譜線

當(dāng)一束全譜的光經(jīng)過一團(tuán)氣體或者一團(tuán)等離子體后，一些光子會(huì)被原子吸收，使得這些原子內(nèi)的電子躍遷。而在激發(fā)態(tài)的電子則會(huì)自發(fā)的返回低能態(tài)，能量差作為光子被釋放至一個(gè)隨機(jī)的方向。前者就使那些原子有了類似于濾鏡的功能，觀測(cè)者在最后接收到的光譜中會(huì)發(fā)現(xiàn)一些黑色的吸收能帶。而后者能夠使那些與光線不在同一條直線上的觀察者觀察到一些不連續(xù)的譜線，實(shí)際就是那些原子的發(fā)射譜線。對(duì)這些譜線進(jìn)行光譜學(xué)測(cè)量就能夠知道該物質(zhì)的組成以及物理性質(zhì)。[77]

在對(duì)譜線進(jìn)行了細(xì)致的分析后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一些譜線有著精細(xì)結(jié)構(gòu)的裂分。這是因?yàn)樽孕c最外層電子運(yùn)動(dòng)間的相互作用，也被稱作自旋-軌道耦合。[78]當(dāng)原子位于外部磁場(chǎng)中時(shí)，譜線能夠裂分成三個(gè)或多個(gè)部分，這個(gè)現(xiàn)象被叫做塞曼效應(yīng)，其原因是原子的磁矩及其電子與外部磁場(chǎng)的相互作用。一些原子擁有許多相同能級(jí)電子排布，因而只產(chǎn)生一條譜線。當(dāng)這些原子被安置在外部磁場(chǎng)中時(shí)，這幾種電子排布的能級(jí)就有了一些細(xì)小的區(qū)別，這樣就出現(xiàn)了裂分。[79]外部電場(chǎng)的存在也能導(dǎo)致類似的現(xiàn)象發(fā)生，被成為斯塔克效應(yīng)。[80]

如果一個(gè)電子在激發(fā)態(tài)，一個(gè)有著恰當(dāng)能量的光子能夠使得該電子受激輻射，釋放出一個(gè)擁有相同能量的光子，其前提就是電子返回低能級(jí)所釋放出來的能量必須要與與之作用的光子的能量一致。此時(shí)，受激釋放的光子與原光子向同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，也就是說這兩個(gè)光子的波是同步的。利用這個(gè)原理，人們?cè)O(shè)計(jì)出了激光，用來產(chǎn)生一束擁有很窄頻率相干光源。[81]

化合價(jià)

主條目：化合價(jià)

單個(gè)原子的電子層最外層一般被稱為價(jià)層，其中的電子被稱為價(jià)電子。價(jià)電子的個(gè)數(shù)決定了這個(gè)原子與其他原子成鍵的性質(zhì)。原子能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)統(tǒng)一的趨勢(shì)是使得其價(jià)層全滿或者全空。[82]

化學(xué)元素通常被寫在一個(gè)化學(xué)周期表中，用來表明它們有周期重復(fù)的一些化學(xué)性質(zhì)。通常，擁有相同數(shù)量?jī)r(jià)電子的元素形成一組，在元素周期表中占相同的一列。而元素周期表中的橫排則與量子層的電子填充情況相對(duì)應(yīng)。周期表最右邊的元素價(jià)層都是全滿的，因此它們?cè)诨瘜W(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出一定的惰性，被成為惰性氣體。[83][84]

態(tài)

能夠闡明玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)形成的截圖。

物質(zhì)很多不同的相態(tài)之中都存在原子，這些相態(tài)都由一定的物理?xiàng)l件所決定，例如溫度與壓強(qiáng)。通過改變這些條件，物質(zhì)可以在固體、液體、氣體與等離子體之間轉(zhuǎn)換。[85]在同一種相態(tài)中，物質(zhì)也可以有不同的形態(tài)，例如固態(tài)的碳就有石墨和金剛石兩種形態(tài)。[86]

當(dāng)溫度很靠近絕對(duì)零度時(shí)，原子可以形成玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。[87][88]這些超冷的原子可以被視為一個(gè)超原子，使得科學(xué)家可以研究量子力學(xué)的一些基本原理。[89]

鑒定

掃描隧道顯微鏡圖片，顯示了組成金（100）的單個(gè)金原子。

掃描隧道顯微鏡是用來在原子水平觀測(cè)物體表面的一種儀器。它利用了量子穿隧效應(yīng)，使得電子能夠穿越一些平時(shí)不能夠克服的障礙。在操作中，電子能夠隧穿介于兩個(gè)平面金屬電極之間的真空。每一個(gè)電極表面吸附有一個(gè)原子，使得穿隧電流密度大到可以測(cè)量。保持電流恒定，隨著掃描的進(jìn)行，可以得到一個(gè)探針末端的上下位移與橫向位移之間的關(guān)系圖。計(jì)算證明掃描隧道顯微鏡所得到的顯微圖像能夠分辨出單個(gè)原子。在低偏差的情況下，顯微圖像顯示的是對(duì)相近能級(jí)的電子軌道的一種空間平均后的尺寸，這些相近的能級(jí)也就是費(fèi)米能中的局部態(tài)密度。[90][91]

當(dāng)原子失去一個(gè)電子時(shí)，該原子就被電離了。這一個(gè)多余的電荷就使其在磁場(chǎng)中運(yùn)行的軌跡發(fā)生偏折。這個(gè)偏轉(zhuǎn)角度是由原子的質(zhì)量所決定的。質(zhì)譜儀就利用了這個(gè)原理來測(cè)定離子的質(zhì)荷比。如果一個(gè)樣品里面有多種同位素，質(zhì)譜可以通過測(cè)量不同離子束的強(qiáng)度來推導(dǎo)每一種同位素的比例。使原子氣化的技術(shù)包括電感耦合等離子體發(fā)射光譜以及電感耦合等離子體質(zhì)譜。這兩種技術(shù)都使用了氣態(tài)或等離子態(tài)的樣品。[92]

另外一個(gè)有局限性的方法是電子能量損失譜，它是通過測(cè)量透射電子顯微鏡中電子束穿越一個(gè)樣品后所損失的能量。原子探針顯像具有三維亞納米級(jí)的分辨率，也可以通過飛行時(shí)間質(zhì)譜儀來鑒定單個(gè)的原子。[93]

激發(fā)態(tài)光譜可以用來研究遠(yuǎn)距離恒星的元素組成。通過觀測(cè)到的來自恒星的光譜中一些特殊的波長(zhǎng)，可以得到氣體狀態(tài)下原子的量子轉(zhuǎn)變。使用同種元素的氣體放電燈，可以得到相同的顏色。[94]氦元素就是通過這種手段在太陽(yáng)的光譜中被發(fā)現(xiàn)的，比在地球上發(fā)現(xiàn)早了23年。[95]

起源和現(xiàn)狀

核合成

主條目：核合成

穩(wěn)定的質(zhì)子和電子在大爆炸后的一秒鐘內(nèi)出現(xiàn)。在接下來的三分鐘之內(nèi)，太初核合成產(chǎn)生了宇宙中大部分的氦、鋰和氘，有可能也產(chǎn)生了一些鈹和硼。[96][97][98]在理論上，最初的原子（有束縛的電子）是在大爆炸后大約380,000 年產(chǎn)生的，這個(gè)時(shí)代稱為重新結(jié)合，在這時(shí)宇宙已經(jīng)冷卻到足以使電子與原子核結(jié)合了。[99]自從那時(shí)候開始，原子核就開始在恒星中通過核聚變的過程結(jié)合，產(chǎn)生直到鐵的元素。[100]

像鋰-6那樣的同位素是在太空中通過宇宙射線散裂產(chǎn)生的。[101]這種現(xiàn)象在高能量的質(zhì)子撞擊原子核時(shí)會(huì)發(fā)生，造成大量核子被射出。比鐵重的元素在超新星中通過r-過程產(chǎn)生，或在AGB星中通過s-過程產(chǎn)生，兩種過程中都有中子被原子核捕獲。[102]像鉛那樣的元素，大都是從更重的元素通過核衰變產(chǎn)生的。[103]

地球

大部分組成地球及其居民的原子，都是在太陽(yáng)系剛形成的時(shí)候就已經(jīng)存在了。還有一部分的原子是核衰變的結(jié)果，它們的相對(duì)比例可以用來通過放射性定年法決定地球的年齡。[104][105]大部分地殼中的氦都是α衰變的產(chǎn)物。[106]

地球上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(jié)果。碳-14是大氣中的宇宙射線所產(chǎn)生的。[107]有些地球上的原子是核反應(yīng)堆或核爆炸的產(chǎn)物，要么是特意制造的，要么是副產(chǎn)物。[108][109]在所有超鈾元素──原子序數(shù)大于92的元素中，只有钚和镎在地球中自然出現(xiàn)。[110][111]超鈾元素的壽命比地球現(xiàn)在的年齡短[112]，因此許多這類的元素都早已衰變了，只有微量的钚-244例外[104]。钚和镎的自然礦藏是在鈾礦中通過中子俘獲產(chǎn)生的。[113]

地球含有大約1.33x1050個(gè)原子。[114]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，是以分子的形式束縛的，包括二氧化碳、雙原子的氧氣和氮?dú)?/a>。在地球的表面上，原子結(jié)合并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(jié)合起來組成不含獨(dú)立分子的物質(zhì)，包括晶體和液態(tài)或固態(tài)金屬。[115][116]

罕見和理論形式

雖然原子序數(shù)大于82（鉛）的元素已經(jīng)知道是放射性的，但是對(duì)于原子序數(shù)大于103的元素，提出了“穩(wěn)定島”的概念。在這些超重元素中，可能有一個(gè)原子核相對(duì)來說比其它原子核穩(wěn)定。[117]最有可能的穩(wěn)定超重元素是Ubh，它有126 個(gè)質(zhì)子和184 個(gè)中子。[118]

每一個(gè)粒子都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)粒子，電荷相反。因此，正電子就是帶有正電荷的反電子，反質(zhì)子就是與質(zhì)子對(duì)等，但帶有負(fù)電荷的粒子。不知道什么原因，在宇宙中反物質(zhì)是非常稀少的，因此在自然界中沒有發(fā)現(xiàn)任何反原子。[119][120]然而，1996年，在日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心，首次合成了反氫──氫的反物質(zhì)。[121][122]

把原子中的質(zhì)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，可以把電子用質(zhì)量更大的緲子代替，形成緲子原子。這些類型的原子可以用來測(cè)試物理學(xué)的基本預(yù)言。[123][124][125]

參閱

參考文獻(xiàn)

引用

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