原子

原子是元素能保持其化學性質的最小單位。一個正原子包含有一個緻密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負電的電子。而負原子的原子核帶負電,周圍的負電子帶「正電」。正原子的原子核由帶正電的質子和電中性的中子組成。負原子原子核中的反質子帶負電,從而使負原子的原子核帶負電。當質子數與電子數相同時,這個原子就是電中性的;否則,就是帶有正電荷或者負電荷的離子。根據質子和中子數量的不同,原子的類型也不同:質子數決定了該原子屬於哪一種元素,而中子數則確定了該原子是此元素的哪一個同位素

氦原子
氦原子基態
氦原子結構示意圖。圖中灰階顯示對應電子雲於1s原子軌域之機率密度函數的積分強度。而原子核僅為示意,質子以粉紅色、中子以紫色表示。事實上,原子核(與其中之核子波函數)也是球型對稱的。 (對於更複雜的原子核則非如此)
分类
化学元素可分割的最小单元
性质
质量≈ 1.67 × 10-27至4.52 × 10-25 kg
电荷0(当原子的电子数与质子数相等时)
直徑:(數據頁 50 pm(H)至520 pm(Cs)
可觀測宇宙中的原子總數:~1080 [1]

原子的英文名(Atom)是從希臘語(atomos,“不可切分的”)轉化而來。很早以前,希臘和印度的哲學家就提出了原子的不可切分的概念。 17和18世紀時,化學家發現了物理學的根據:對於某些物質,不能通過化學手段將其繼續的分解。 19世紀晚期和20世紀早期,物理學家發現了亞原子粒子以及原子的內部結構,由此證明原子並不是不能進一步切分。 量子力學原理能夠為原子提供很好的模型[2][3]

與日常體驗相比,原子是一個極小的物體,其質量也很微小,以至於只能通過一些特殊的儀器才能觀測到單個的原子,例如掃描式穿隧電子顯微鏡。原子的99.9%的重量集中在原子核,[4]其中的亞原子和中子有著相近的質量。每一種元素至少有一種不穩定的同位素,可以進行放射性衰變。這直接導致核轉化,即亞原子核中的中子數或質子數發生變化。 [5]原子佔據一組穩定的能級,或者稱為軌道。當它們吸收和放出中子的時候,中子也可以在不同能級之間跳躍,此時吸收或放出原子的能量與能級之間的能量差相等。電子決定了一個元素的化學屬性,並且對中子的磁性有著很大的影響。

历史

大约在两千五百年前,希腊哲学家对物质的组成问题争论不休。原子派认为物质在被无数次地分割之后,最终会小到无法分割。原子(atom)一词源自希腊语,意思是“不可分割”。在1803年到1807年之间,英国化学家道耳顿发展了这些观点并将它用在它的原子学说中。他相信原子既不能被创造也不能被消灭。任何一个元素里所含的原子都是一样的。

关于物质是由离散单元组成且能够被任意的分割的概念流传了几千年,但这些想法只是基于抽象的、哲学的推理,而非实验和实证观察。随着时间的推移以及文化及学派的转变,哲学上原子的性质也有着很大的改变而这种改变往往还带有一些精神因素。尽管如此,对于原子的基本概念在数千年后仍然被化学家们采用,因为它能够很简洁地阐述一些化学界的新发现。[6]

原子論

原子论(英语:Atomism,来自古希腊语ἄτομον,atomos,含义为“不可分割”[7])是在一些古代传统中发展出的一种自然哲学。原子论者将自然世界理论化为由两基本部分所构成:不可分割的原子和空无的虚空(void)。

依据亚里士多德引述,原子是不可构造的和永恒不变的,并且形状和大小有无穷的变化。它们在空无(empty)中移动,相互碰离,有时变成与一个或多个其他原子相钩结而形成聚簇(cluster)。不同形状、排列和位置的聚簇引起世界上各种宏观物质(substance)。

对原子概念的记述可以上溯到古印度和古希腊。有人将印度的耆那教的原子论认定为开创者大雄在公元前6世纪提出,并将与其同时代的彼浮陀伽旃延和顺世派先驱阿夷陀翅舍钦婆罗的元素思想也称为原子论。正理派和胜论派后来发展出了原子如何组合成更复杂物体的理论。在西方,对原子的记述出现在公元前5世纪留基伯和德谟克利特的著作中。对于印度文化影响希腊还是反之,亦或二者独立演化是存在争议的。

科學理論

直到化学作为一门科学开始发展的时候,对原子才有了更进一步的理解。1661年,自然哲学家罗伯特·波义耳出版了《怀疑的化学家》一书,书中他声称物质是由不同的“微粒”或原子自由组合构成的,而并不是由诸如气、土、火、水等基本元素构成。[8]1789年,既是法国贵族,又是科学研究者的拉瓦锡定义了元素一词,从此,元素就用来表示化学变化中的最小的单位。[9]

现代原子理论

道耳顿的理想没有涉及原子内部结构。随后,在1897年,第一个亚原子粒子──电子,被发现。1911年,新西兰物理学家卢瑟福发现每一个原子都含有一个比重很大并且带正电的原子核,他隨後在1919年發現了原子核內部帶正電的質子。1932年不帶電的中子又被英國物理學家查德威克发现。现代化学认为原子由原子核及绕核旋转的电子构成。原子核中含有许多质子中子。质子和中子要比电子重約1836倍。质子的带电量是一个单位的正电荷,电子是一个单位的负电荷,中子不带电。

道尔顿《化学哲学新体系》一书中描述的各种原子和分子。1808年

1803年,英语教师及自然哲学家約翰·道爾頓用原子的概念解释了为什么不同元素总是呈整数倍反应,即倍比定律;也解释了为什么某些气体比另外一些更容易溶于水。他提出每一种元素只包含唯一一种原子,而这些原子相互结合起来就形成了化合物。[10][11]

1827年,英國植物學家羅伯特·布朗在使用显微镜观察水面上花粉的时候,发现它们进行着不规则运动,进一步证明了微粒学说。后来,这一现象被称为为布朗运动德绍儿克思在1877年提出这种现象是由于水分子的热运动而导致的。1905年,爱因斯坦提出了第一个数学分析的方法,证明了这个猜想。[12][13][14]

在关于阴极射线的工作中,物理学家約瑟夫·汤姆孙发现了电子以及它的亚原子特性,粉碎了一直以来认为原子不可再分的设想。[15]汤姆孙认为电子是平均的分布在整个原子上的,就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中,它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。这也叫做梅子布丁模型

然而,在1909年,在物理学家卢瑟福的指导下,研究者们用氦离子轰击金箔。他们意外的发现有很小一部分离子的偏转角度远远大于使用汤姆孙假设所预测值。卢瑟福根据这个金箔实验的结果提出原子中大部分质量和正电荷都集中在位于原子中心的原子核当中,电子则像行星围绕太阳一样围绕着原子核。带正电的氦离子在穿越原子核附近时,就会被大角度的反射。[16]

1913年,在进行有关对放射性衰变产物的实验中,放射化学家弗雷德里克·索迪发现对于元素周期表中的每个位置,不仅仅只有一种原子。[17] 玛格丽特·陶德创造了同位素一词,来表示同一种元素中不同种类的原子。在进行关于离子气体的研究过程中,汤姆孙发明了一种新技术,可以用来分离不同的同位素,最终导致了稳定同位素的发现。[18]

氢原子的玻尔模型,展示了一个电子在两个固定轨道之间跃迁并释放出一个特定频率的光子

与此同时,物理学家玻尔重新审视了卢瑟福的模型,他认为电子应该位于确定的轨道之中,并且能够在不同轨道之间跳跃,而不是像先前认为那样可以自由的向内或向外移动。电子在这些固定轨道间跳跃时,必须吸收或者释放特定的能量。[19]当热源产生的一束穿过棱镜时,能够产生一个多彩的光谱。应用轨道跃迁的理论就能够很好的解释光谱中存在的位置不变的线条[20]

1916年,吉爾伯特·路易斯发现化学键的本质就是两个原子间电子的相互作用。[21]众所周之,元素的化学性质按照周期律反复的循环。[22]1919年,美国化学家歐文·朗繆爾提出原子中的电子以某种性质相互连接或者说相互聚集。一组电子占有一个特定的电子层[23]

1926年,薛定谔使用路易·德布罗意于1924年提出的波粒二象性的假说,建立了一个原子的数学模型,用来将电子描述为一个三维波形。使用波形来描述电子的一个直接后果就是在数学上不能够同时得到位置和动量的精确值,1926年,海森堡建立了相关的方程,这也就是后来著名的不确定性原理。这个概念描述的是,对于测量的某个位置,只能得到一个不确定的动量范围,反之亦然。尽管这个模型很难想象,但它能够解释一些以前观测到却不能解释的原子的性质,例如比氢更大的原子的谱线。因此,人们不再使用原子的行星模型,而更倾向于将原子轨道视为电子存在概率的区域。[24][25]

一个质谱仪的简易原理图

质谱的发明使得科学家可以直接测量原子的准确质量。该设备通过使用一个磁体来弯曲一束离子,而偏转量取决于原子的质荷比。弗朗西斯·阿斯顿使用质谱证实了同位素有着不同的质量,并且同位素间的质量差都为一个整数,这被称为整数规则[26]1932年,詹姆斯·查德威克发现了中子,解释了这一个问题。中子是一种中性的粒子,质量与质子相仿。同位素则被重新定义为有着相同质子数与不同中子数的元素。[27]

1950年代,随着粒子加速器粒子探测器的发展,科学家们可以研究高能粒子间的碰撞。[28]他们发现中子和质子是强子的一种,由更小的夸克微粒构成。核物理的标准模型也随之发展,能够成功的在亚原子水平解释整个原子核以及亚原子粒子之间的相互作用。[29]

1985年左右,朱棣文及其同事在贝尔实验室开发了一种新技术,能够使用激光来冷却原子。威廉·丹尼尔·菲利普斯团队设法将钠原子置于一个磁阱中。这两个技术加上由克洛德·科昂-唐努德日团队基于多普勒效应开发的一种方法,可以将少量的原子冷却至微开尔文的温度范围,这样就可以对原子进行很高精度的研究,这也直接导致了玻色-爱因斯坦凝聚的发现。[30]

历史上,因为单个原子过于微小,被认为不能够进行科学研究。最近,科学家已经成功使用一单个金属原子与一个有机配体连接形成一个单电子晶体管[31]在一些实验中,通过激光冷却的方法将原子减速并捕获,这些实验能够带来对于物质更好的理解。[32]

原子的组成

亚原子粒子

尽管原子的英文名称(atom)本意是不能被进一步分割的最小粒子,但是在现代科学领域,原子实际上包含了很多不同的亚原子粒子。它们分别是电子质子中子原子和带一个正电荷的氢离子例外,前者没有中子,后者只有一个质子。

质子带有一个正电荷,质量是电子质量的1836倍,为kg,然而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kg。[33]中子和质子的尺寸相仿,均在m这一数量级,但它们的表面并没能精确定义。[34]

在物理学标准模型理论中,质子和中子都由名叫夸克基本粒子构成。夸克是费米子的一种,也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是轻子,电子就是轻子的一种。夸克共有六种,每一种都带有分数的电荷,不是就是。质子就是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。这个区别就解释了为什么中子和质子电荷和质量均有差别。夸克由强相互作用结合在一起的,由胶子作为中介。胶子是规范玻色子的一员,是一种用来传递的基本粒子。[35][36]

原子核

这个图展示了不同同位素中,将核子连在一起所需要的能量。

原子中所有的质子和中子结合起来就形成了一个很小的原子核,它们一起也可以被称为核子。原子核的半径约等于fm其中是核子的总数。[37]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残留强力束缚在一起。当距离小于2.5fm的时候,强力远远大于静电力,因此它能够克服带正电的质子间的相互排斥。[38]

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。中子数决定了该原子的稳定程度,一些同位素能够自发进行放射性衰变[39]

中子和质子都是费米子的一种,根据量子力学中的泡利不相容原理,不可能有完全相同的两个费米子同时拥有一样量子物理态。因此,原子核中的每一个质子都占用不同的能级,中子的情况也与此相同。不过泡利不相容原理并没有禁止一个质子和一个中子拥有相同的量子态。[40]

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到一个更低的能级,并且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加不容易衰变。然而,当原子序数逐渐增加时,因为质子之间的排斥力增强,需要更多的中子来使整个原子核变的稳定,所以对上述趋势有所影响。因此,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。随着Z的增加,中子和质子的比例逐渐趋于1.5。[40]

核聚变示意图,图中两个质子聚变生成一个包含有一个质子和一个中子的氘原子核,并释放出一个正电子(电子的反物质)以及一个电子中微子

原子核中的质子数和中子数也是可以变化的,不过因为它们之间的力很强,所以需要很高的能量,当多个粒子聚集形成更重的原子核时,就会发生核聚变,例如两个核之间的高能碰撞。在太阳的核心,质子需要3-10KeV的能量才能够克服它们之间的相互排斥,也就是库仑障壁,进而融合起来形成一个新的核。[41]与此相反的过程是核裂变,在核裂变中,一个核通常是经过放射性衰变,分裂成为两个更小的核。使用高能的亚原子粒子或光子轰击也能够改变原子核。如果在一个过程中,原子核中质子数发生了变化,则此原子就变成了另外一种元素的原子了。[42][43]

如果核聚变后产生的原子核质量小于聚变前原子质量的总和,那么根据爱因斯坦的质能方程,这一些质量的差就作为能量被释放了。这个差别实际是原子核之间的结合能[44]

对于两个原子序数在铁或镍之前的原子核来说,它们之间的核聚变是一个放热过程,也就是说过程释放的能量大于将它们连在一起的能量。[45]正是因为如此,才确保了恒星中的核聚变能够自我维持。对于更重一些的原子来说,结合能开始减少,也就是说它们的核聚变会是一个吸热过程。因此,这些更重的原子不能够进行产能的核聚变,也就不能够维持恒星的流体静力平衡[40]

电子云

一个势阱,显示了要到每一个位置x所需要的最低能量。如果一个粒子的能量为,则它将会被限制在之间。

在一个原子中,电子和质子因为电磁力而相互吸引,也正是这个力将电子束缚在一个环绕着原子核的静电位势阱中,要从这个势阱中逃逸则需要外部的能量。电子离原子核越近,吸引力则越大。因此,与外层电子相比,离核近的电子需要更多能量才能够逃逸。[46]

原子轨道则是一个描述了电子在核内的概率分布的数学方程。在实际中,只有一组离散的(或量子化的)轨道存在,其他可能的形式会很快的坍塌成一个更稳定的形式。[47]这些轨道可以有一个或多个的环或节点,并且它们的大小,形状和空间方向都有不同。[48]

前五个原子轨道的波函数。三个2p轨道中的每一个都有一个角节点,因此有特定的朝向。它们都有一个最小值点位于中心。

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。同样的,通过自发辐射,在高能级态的电子也可以跃迁回一个低能级态,释放出光子。这些典型的能量,也就是不同量子态之间的能量差,可以用来解释原子谱线[47]

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,这些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。[49]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时,该原子就会被称为离子。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[50]

性质

核性质

根据定义,任意两个有着相同质子数的原子属于同一种元素,而有着相同质子数和不同中子数的则是同一种元素中不同的同位素。例如,所有的氢原子都只有一个质子,但氢原子的同位素有几种,分别含有零个中子(氢-1,目前最常见的类型,有时也被称为),一个中子(),两个中子()以及更多的中子[51]原子序数从1(氢)到118(Og)均为已知元素。[52]对于所有原子序数大于82的同位素都有放射性。[53][54]

地球上自然存在约339种核素,其中255种是稳定的,约占总数79%。[55]80种元素含有一个或一个以上的稳定同位素。第43号元素、第61号元素及所有原子序数大于等于83的元素没有稳定的同位素。有十六种元素只含有一个稳定的同位素,而拥有同位素最多的元素,锡,则有十个同位素。[56]

同位素的稳定性不只受到质子数与中子数之比的影响,也受到所谓幻数的影响,实际上幻数就代表了全满的量子层。这些量子层对应于原子核层模型中一组能级。在已知的269种稳定核素中,只有四个核素同时有着奇数个质子和奇数个中子。它们分别是:2H, 6Li, 10B和14N;对于放射性核素来说,也只有四种奇-奇核素的半衰期超过了一亿年:40K, 50V, 138La和180mTa。这是因为对于大多数奇-奇核素来说,很容易会发生β衰变,产生的更稳定的偶-偶核素。[56]

质量

因为原子质量的绝大部分是质子和中子的质量,所以质子和中子数量的总和叫做质量数。原子的静止质量通常用统一原子质量单位(u)来表示,也被称作道尔顿(Da)。这个单位被定义为电中性的碳12质量的十二分之一,约为千克。[57]氢最轻的一个同位素氕是最轻的原子,重量约为1.007825u。[58]一个原子的质量约是质量数与原子质量单位的乘积。[59]最重的稳定原子是铅-208,[53]质量为207.9766521u。[60] 就算是最重的原子,化学家也很难直接对其进行操作,所以它们通常使用另外一个单位,摩尔。摩尔的定义是对于任意一种元素,一摩尔总是含有同样数量的原子,约为。因此,如果一个元素的原子质量为1u,一摩尔该原子的质量就为0.001kg,也就是1克。例如,碳的原子质量是12u,一摩尔碳的质量则是0.012kg。[57]

大小

原子并没有一个精确定义的最外层,只有当两个原子形成化学键后,通过测量两个原子核间的距离,才能够得到原子半径的一个近似值。影响原子半径的因素很多,包括在元素周期表上的位置,化学键的类型,周围的原子数(配位数)以及自旋[61]在元素周期表中,原子的半径变化的大体趋势是自上而下增加,而从左至右减少。[62]因此,最小的原子是氦,半径为32pm;最大的原子是铯,半径为225pm。[63]因为这样的尺寸远远小于可见光的波长(约400-700nm),所以不能够通过光学显微镜来观测它们。然而,使用扫描隧道显微镜我们能够观察到单个原子。

可以看到:原子的体积很小。一根人的头发的直径大约是一百万个原子。[64]一滴水则大约有二十米()个氧原子以及两倍的氢原子。[65]一克拉钻石重量为kg,含有约100垓个碳原子。[66]如果苹果被放大到地球的大小,那么苹果中的原子大约就有原来苹果那么大了。[67]

放射性

这个图表展示了含有Z个质子和N个中子的同位素的半衰期(T½),单位是秒

每一种元素都有一个或多个同位素拥有不稳定的原子核,从而能发生放射性衰变,在这个过程中,原子核可以释放出粒子或电磁辐射。当原子核的半径大于强力的作用半径时,放射性衰变就可能发生,而强力的作用半径仅为几飞米。[68]

最常见的放射性衰变如下:[69][70]

  • α衰变:原子核释放一个α粒子,即含有两个质子和两个中子的氦原子核。衰变的结果是产生一个原子序数低一些的新元素。
  • β衰变:弱相互作用的现象,过程中一个中子转变成一个质子或者一个质子转变成一个中子。前者伴随着一个电子和一个反中微子的释放,后者则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。因此,β衰变能够使得该原子的原子序数增加或减少一。
  • 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粒子后发生。

其它比较罕见的放射性衰变还包括:释放中子或质子,释放核子团或电子团,通过内转换产生高速的电子而非β射线以及高能的光子而非伽马射线。

每一个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。这是一种指数衰变,即样品在每一个半衰期内恒定的衰变50%,换句话说,当两次半衰期之后,就只剩下25%的起始同位素了。[68]

磁矩

基本微粒都有一个固有性质,就像在宏观物理中围绕质心旋转的物体都有角动量一样,在量子力学中被叫做自旋。但是严格来说,这些微粒仅仅是一些点,不能够旋转。自旋的单位是约化普朗克常数),电子、质子和中子的自旋都是½。在原子里,电子围绕原子核运动,所以除了自旋,它们还有轨道角动量。而对于原子核来说,轨道角动量是起源于自身的自旋。[71]

正如一个旋转的带电物体能够产生磁场一样,一个原子所产生的磁场,即它的磁矩,就是由这些不同的角动量决定的。然后,自旋对它的影响应该是最大的。因为电子的一个性质就是要符合泡利不相容原理,即不能有两个位于同样量子态的电子,所以当电子成对时,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,总的磁偶极矩会被减少至零。[72]

对于铁磁性的元素,例如铁,因为电子总数为奇数,所以会产生一个净磁矩。同时,因为相邻原子轨道重叠等原因,当未成对电子都朝向同一个方向时,体系的总能量最低,这个过程被称为交换相互作用。当这些铁磁性元素的磁动量都统一朝向后,整个材料就会拥有一个宏观可以测量的磁场。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;施加了外部磁场以后,所有原子都会统一朝向,产生磁场。[73][72]

原子核也可以存在净自旋。由于热平衡,通常这些原子核都是随机朝向的。但对于一些特定元素,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,在核磁共振成像中有很重要的应用。[74][75]

原子中,电子的势能与它离原子核的距离成反比。测量电子的势能,通常的测量将让该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,每一个状态就对应于一个能级。最低的能级就被叫做基态,而更高的能级就被叫做激发态。[76]

电子要在两个能级之间跃迁的前提是它要吸收或者释放能量,该能量还必须要和这两个能级之间的能量差一致。因为释放的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。[77]每一个元素都有一个特征波谱,特征波谱取决于核电荷的多少,电子的填充情况,电子间的电磁相互作用以及一些其他的因素。[78]

一个吸收谱线的例子:太陽的夫朗和斐譜線

当一束全谱的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,使得这些原子内的电子跃迁。而在激发态的电子则会自发的返回低能态,能量差作为光子被释放至一个随机的方向。前者就使那些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。而后者能够使那些与光线不在同一条直线上的观察者观察到一些不连续的谱线,实际就是那些原子的发射谱线。对这些谱线进行光谱学测量就能够知道该物质的组成以及物理性质。[79]

在对谱线进行了细致的分析后,科学家发现一些谱线有着精细结构裂分。这是因为自旋与最外层电子运动间的相互作用,也被称作自旋-轨道耦合[80]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,这个现象被叫做塞曼效应,其原因是原子的磁矩及其电子与外部磁场的相互作用。一些原子拥有许多相同能级电子排布,因而只产生一条谱线。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。[81]外部电场的存在也能导致类似的现象发生,被成为斯塔克效应[82]

如果一个电子在激发态,一个有着恰当能量的光子能够使得该电子受激辐射,释放出一个拥有相同能量的光子,其前提就是电子返回低能级所释放出来的能量必须要与与之作用的光子的能量一致。此时,受激释放的光子与原光子向同一个方向运动,也就是说这两个光子的波是同步的。利用这个原理,人们设计出了激光,用来产生一束拥有很窄频率相干光源。[83]

化合价

单个原子的电子层最外层一般被称为价层,其中的电子被称为价电子。价电子的个数决定了这个原子与其他原子成键的性质。原子能发生化学反应的一个统一的趋势是使得其价层全满或者全空。[84]

化学元素通常被写在一个化学周期表中,用来表明它们有周期重复的一些化学性质。通常,拥有相同数量价电子的元素形成一组,在元素周期表中占相同的一列。而元素周期表中的横排则与量子层的电子填充情况相对应。周期表最右边的元素价层都是全满的,因此它们在化学反应中表现出一定的惰性,被成为惰性气体。[85][86]

能够阐明玻色-爱因斯坦凝聚态形成的截图。

物质很多不同的相态之中都存在原子,这些相态都由一定的物理条件所决定,例如温度压强。通过改变这些条件,物质可以在固体液体气体等离子体之间转换。[87]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。[88]

当温度很靠近绝对零度时,原子可以形成玻色-爱因斯坦凝聚态[89][90]这些超冷的原子可以被视为一个超原子,使得科学家可以研究量子力学的一些基本原理。[91]

测定

扫描隧道显微镜图片,显示了组成Au100)的单个金原子。

扫描隧道显微镜是用来在原子水平观测物体表面的一种仪器。它利用了量子穿隧效应,使得电子能够穿越一些平时不能够克服的障碍。在操作中,电子能够隧穿介于两个平面金属电极之间的真空。每一个电极表面吸附有一个原子,使得穿隧电流密度大到可以测量。保持电流恒定,随着扫描的进行,可以得到一个探针末端的上下位移与横向位移之间的关系图。计算证明扫描隧道显微镜所得到的显微图像能够分辨出单个原子。在低偏差的情况下,显微图像显示的是对相近能级的电子轨道的一种空间平均后的尺寸,这些相近的能级也就是费米能中的局部态密度。[92][93]

当原子失去一个电子时,该原子就被电离了。这一个多余的电荷就使其在磁场中运行的轨迹发生偏折。这个偏转角度是由原子的质量所决定的。质谱仪就利用了这个原理来测定离子的质荷比。如果一个样品里面有多种同位素,质谱可以通过测量不同离子束的强度来推导每一种同位素的比例。使原子气化的技术包括电感耦合等离子体原子发射光谱以及电感耦合等离子体质谱法。这两种技术都使用了气态或等离子态的样品。[94]

另外一个有局限性的方法是电子能量损失谱,它是通过测量透射电子显微镜中电子束穿越一个样品后所损失的能量。原子探针显像具有三维亚纳米级的分辨率,也可以通过飞行时间质谱仪来鉴定单个的原子。[95]

激发态光谱可以用来研究远距离恒星的元素组成。通过观测到的来自恒星的光谱中一些特殊的波长,可以得到气体状态下原子的量子转变。使用同种元素的气体放电灯,可以得到相同的颜色。[96]氦元素就是通过这种手段在太阳的光谱中被发现的,比在地球上发现早了23年。[97]

起源和现状

核合成

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,有可能也产生了一些铍和硼。[98][99][100]在理论上,最初的原子(有束缚的电子)是在大爆炸后大约38万年产生的,这个时代称为重新结合,在这时宇宙已经冷却到足以使电子与原子核结合了。[101]自从那时候开始,原子核就开始在恒星中通过核聚变的过程结合,产生直到铁的元素。[102]

像锂-6那样的同位素是在太空中通过宇宙射线散裂产生的。[103]这种现象在高能量的质子撞击原子核时会发生,造成大量核子被射出。比铁重的元素在超新星中通过r-过程产生,或在AGB星中通过s-过程产生,两种过程中都有中子被原子核捕获。[104]像铅那样的元素,大都是从更重的元素通过核衰变产生的。[105]

地球

大部分组成地球及其居民的原子,都是在太阳系刚形成的时候就已经存在了。还有一部分的原子是核衰变的结果,它们的相对比例可以用来通过放射性定年法决定地球的年龄[106][107]大部分地壳中的氦都是α衰变的产物。[108]

地球上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。碳-14是大气中的宇宙射线所产生的。[109]有些地球上的原子是核反应堆或核爆炸的产物,要么是特意制造的,要么是副产物。[110][111]在所有超铀元素──原子序数大于92的元素中,只有和镎在地球中自然出现。[112][113]超铀元素的寿命比地球现在的年龄短[114],因此许多这类的元素都早已衰变了,只有微量的钚-244例外[106]。钚和镎的自然矿藏是在铀矿中通过中子俘获产生的。[115]

地球含有大约个原子。[116]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,是以分子的形式束缚的,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、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[117][118]

罕见和理论形式

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。在这些超重元素中,可能有一个原子核相对来说比其它原子核稳定。[119]最有可能的稳定超重元素是Ubh,它有126个质子和184个中子。[120]

每一个粒子都有一个对应的反物质粒子,电荷相反。因此,正电子就是带有正电荷的反电子,反质子就是与质子对等,但带有负电荷的粒子。不知道什么原因,在宇宙中反物质是非常稀少的,因此在自然界中没有发现任何反原子。[121][122]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。[123][124]

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,可以把电子用质量更大的緲子代替,形成緲子原子。这些类型的原子可以用来测试物理学的基本预言。[125][126][127]

参阅

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外部链接

维基共享资源中相关的多媒体资源:原子
  • (简体中文)中国科普博览──核能博物馆,中国科学院主编。
  • 一滴水中的原子
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