原子理论（有关物质本质的科学理论）
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更新时间：2023-05-22
基本信息
| 中文名 | 原子理论 |
| 外文名 | Atomic theory |
| 是物理学 | 与化学中有关物质本质的科学理论 |
| 与 | 物质无限可分的概念相反 |
简介
哲学中的原子论
主条目：原子论
原子概念的重拾
古希腊哲学中的原子概念由于其与基督教中认为上帝是肉体和灵魂的创造者的理念相抵而被弃置数个世纪。期间偶有恢复原子论的尝试，但都在教会的高压下失败。15世纪初，古希腊原子论著作残片被发现，被意大利学者带回意大利传抄，于15世纪下半叶出版，并于17世纪被译成法语、英语广为流传。“原子”作为一个自然哲学概念，在皮埃尔·伽桑狄、弗朗西斯·培根、罗伯特·波义耳、伽利略·伽利莱等人的努力下得以重拾。
近代原子理论
原子-分子学说
18世纪末，在没有涉及原子理论的概念条件下，在化学领域，发现了两条有关化学反应的规律：
1.化学反应前后反应体系的总质量不变，也就是说反应物与生成物的质量相等，即质量守恒定律。
这两条规律为原子理论成为一个科学理论提供了实验依据。
1.所有的化学元素都是由一种非常小的粒子组成，即原子，这些粒子无法借由化学方法进一步的分割。
3.如果两种元素能形成多于一种化合物，在一种元素的质量一定时，各种化合物中的第二种元素质量的比例会是一个简单整数比，即倍比定律。
道尔顿根据他的原子理论，依据元素在化合物中质量比，以氢元素的质量为基准，来估计它们的原子量。但他存在一些与现今公认事实不相符的概念：1.将元素的单质视为由元素的原子构成。2.两种元素间形成的最简单的化合物分子是由每种元素的一个原子构成（所以他认为水的分子式是HO，而非HO）。另外，他进行实验所使用的仪器很粗陋。这些因素造成他所得到的测量结果与现在的公认值有一定的偏差。例如，1803年，他认为氧原子的质量是氢原子的5.5倍，因为他对于水做测量发现每得到1g的氢会得到5.5g的氧，并坚信水的分子式是HO。1806年，他又将氧的原子量修正为7。而如果依据水现在公认的分子式，氧原子和氢原子的质量比则为16:1。
1811年，阿莫迪欧·阿伏伽德罗从原理上对于道尔顿的理论进行了修正。阿伏伽德罗提出分子是决定物质性质的最小微元，分子是由原子构成的。阿伏伽德罗所做出的修正划清了分子和原子概念间的区别，并与道尔顿的原子理论形成了解释物质微观构成的原子—分子学说。
道尔顿的原子理论并没有涉及到原子本身结构的讨论。有关原子本身结构的现代原子理论模型，直到基本粒子被发现以及量子的概念被引入后才被逐步建立。
分子运动论对于原子理论的验证
主条目：分子运动论和布朗运动
1821年，约翰·赫帕斯提出了气体的内能与气体分子的动能有关系。随后，奥古斯特·卡尔·克罗尼格、鲁道夫·克劳修斯、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦、路德维希·玻尔兹曼等人发展了分子运动论。这一理论从假设气体是由不断碰撞彼此或器壁的原子构成的出发，解释了气体的宏观性质，如压强、比热、粘性。而分子运动论为支持原子真实存在提供了理论支持。
现代原子理论模型
原子核的发现
主条目：卢瑟福模型
在金箔实验中，汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登在卢瑟福指导下利用α粒子轰击一片金箔，并用荧光屏观测它们运动轨迹的偏折情况。如果电子质量非常小，α粒子动量非常大，而正电荷在原子中像葡萄干布丁模型中假定的那样均匀分布，那么在实验中，所有的α粒子在通过金箔时运动轨迹都不会产生明显的偏折。而令他们惊讶的是，少数α粒子的运动轨迹发生了大角度偏折。因而，可以证实原子的绝大部分质量都集中在其中一个微元中（即“原子核”）。但还不能对这一个微元的电性做出定论，其可以是电中性的，也可以不是。通过库仑定律可以得到，当α粒子经过电中性的质点附近时，运动轨迹并不会发生偏折；但如果这个质点带正电的话，就会发生偏折。而卢瑟福分析，实验的结果证明后者是正确的。
卢瑟福基于试验的结果提出了原子的行星模型。在这一模型中，电子像“行星”那样环绕在一个体积极小的、集中原子所有正电的原子核周围，因为只有正电荷集中分布才足以产生导致α粒子运动轨迹发生大角度偏折的电场。
核子的发现
主条目：原子核
而从他自己及他的学生玻尔和亨利·莫塞莱的研究工作中，他得知任何一种原子内部的总正电荷总是氢核所带电荷的整数倍。同时，当时测定的许多元素的原子量依据普劳特假定都近似等于氢的原子量整数倍。由此可以看出氢原子是最轻的原子。由此，他总结道，氢核是一种单一粒子并且是所有原子核的一种基本组分。他将这种粒子命名为质子。而通过进一步的实验，卢瑟福发现绝大多数的原子的质量要比其中包含的质子的总质量大得多，他推测多出的质量来源于当时尚未发现的一种电中性的粒子，并将其暂称为“中子”。
1928年，瓦尔特·博特在用α粒子轰击铍时，发现产生了一种具有高穿透性，且电中性的射线。随后发现这种射线照射石蜡时，可以放射出质子。起初，它被认为是高能γ射线，因为γ射线可以类似地将金属中电子轰出。但詹姆斯·查德威克发现，如果它是一种电磁辐射，那么在至少满足能量和动量守恒条件下，它的电离作用过于强劲。1932年，查德威克用这种射线照射几种元素的单质，如氢气、氮气，通过测量反冲的带电粒子所带能量，他推断这种射线实际上是由一种电中性的粒子构成；这种粒子并不像γ射线那样静质量为零，而是具有与质子相似的质量。由此，他提出这种粒子就是卢瑟福所预测存在的“中子”。而由于发现了中子，1935年，他获得了诺贝尔物理学奖。
量子概念的初步引入
主条目：玻尔模型
原子的行星模型有两个明显缺陷：
1.电子是带电的，这一点与环绕恒星的行星不同。而依据经典电动力学中的拉莫尔方程，速度不断变化的电荷会发射出电磁波，在这过程中电荷会逐渐散失能量，而行星模型中电子在轨道上运行会发生这一过程，从而螺旋式地靠近原子核，最终在极短时间内撞击原子核。
20世纪初，量子论引起物理学的一场革命。“量子”这一概念最早由马克斯·普朗克引入，用以解释黑体辐射；他提出，能量并非像经典力学中那样连续变化，而是以一个个各自离散的单元，即能量的量子形式发射或吸收。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦将这一概念引入到光学，成功解释了光电效应。1913年，尼尔斯·玻尔引用这一概念建立了原子的玻尔模型。在玻尔模型中，电子只能在一系列特定的的轨道上运动，其能量以及角动量也具有一系列特定的、离散的数值，而其轨道半径与它具有的能量成比例。这模型禁止电子发生螺旋式靠近原子核的情形，因为它不能连续性地失去或获得能量，只能在不同能级间做瞬时跃迁。在发生跃迁时，会发射或吸收具有对应能量的光子。同时，这个模型也为氢原子光谱提供了理论解释。
玻尔模型存在一定的理论缺陷：它只能解释氢原子的光谱，对于多电子原子的光谱的解释并不成功。随着分光成象技术进一步完善，氢光谱亦出现了玻尔模型所不能解释的谱线。1916年，阿诺·索末菲将玻尔模型中电子的圆轨道推广为椭圆轨道来解释氢光谱新出现的谱线，但这令模型变得复杂、难以应用，并且仍不能用在多电子原子的情形中。
量子化的原子理论模型
主条目：原子轨域
1924年，路易·德布罗意提出所有运动的粒子（特别是像电子这样的亚原子粒子）在一定程度上具有波的特征。受到这一想法的启发，埃尔温·薛定谔开始探究电子的运动行为：以波的形式去表述，是否会比以粒子的形式表述更为贴切。而在1926年所发表的薛定谔方程里，他将电子以波函数的方式去描述，而不再将其表述为点粒子。这种表述方法解释了许多玻尔模型所不能解释的现象。尽管波函数的概念在数学上非常简洁，但是它的物理图像是难以想象的，因而在当时遭遇到一些反对意见。马克斯·玻恩提出波函数描述的不是电子自身的状态，而是它所有可能的状态，因而可用于计算电子在核周围某一位置出现的概率。这调和了两种对立的描述电子方式，将它描述为波还是将它描述为粒子，并由此引入了波粒二象性理论。这一理论提出电子既具有波的属性，比如它可以发生衍射；又具有粒子的属性，比如它有质量。
而将电子以波函数描述的一个后果就是，从数学上无法同时给出一个电子的位置和动量，即维尔纳·海森堡于1927年发表的不确定性原理。根据玻尔模型，电子具有简洁、并可以完全确定的轨道，这论点不兼容于不确定性原理，至此，玻尔模型迅速被新理论淘汰。原子的现代模型根据电子在某一位置出现的概率来描述一个原子内电子可能出现的位置。一个电子可以在距核任意距离的位置被发现，但取决于其所处能级，它会在一个特定的区域出现得特别频繁，这一位置称为它所处的轨域。不同轨域可能具有不同形状，例如球形、哑铃形或环形等等，但都以原子核为中心。
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