原子（化学反应不可再分的基本微粒）
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更新时间：2023-05-22
原子
化学反应不可再分的基本微粒
原子（atom）是在不释放带电粒子的情况下物质可以被分解的最小单位。在希腊语中，atoms意为“不可再分”。在化学变化中不会发生改变，原子是所有生命和物质组成的基本单位。但是，原子并不是最小物质，原子是由原子核和核外电子构成的。
基本信息
中文名
原子
英文名
atom
类型
物理、化学概念
组成
原子核、核外电子
简介
原子在化学变化中是不可在分割的，但是原子并不是构成物质的最基本单元。因为原子是由原子核和核外电子构成的，而原子核是由带一个单位正电荷的质子和不带电的中子构成的，他们之间靠强相互作用结合在一起形成原子核。质子和中子还可以继续分解，它们由更小的夸克构成。
不同原子的半径一般是不同的，但是具有相同的数量级，即10m。在现有的理论和科学水平下，夸克和电子都是不可再分的，它们都是最基本的粒子。在玻尔原子模型中，相比于原子核依靠强相互作用，电子在原子核外做高速运动，速度可达10m/s。
原子并不是一个致密的实心结构，原子核和核外电子之间有很大的空隙，电子以电子云的形式存在于原子核周围。
氙核外电子排布图
发展历史
原子最早是哲学上具有本体论意义的抽象概念，虽然在今天看来存在很多谬误，但引发了人类探究世界物质组成的基始和本源。
早期原子本体论
古希腊人们探究世界物质组成的本质，是基于哲学这一框架。人们利用哲学的思辩和朴素猜想，来探究物质的基本组成，而思辩是没有科学验证的一层层推测。因此，对于世界物质的组成，人们有着不同的认知。
古希腊元素论很好的为原子论奠定了基础，阿纳克西美尼认为万物的本源是气，元素就是气；而赫拉克利特则认为世界万物最基本元素为火；古希腊的哲学家柏拉图提出“四元素”说，认为火、水、气、土四种元素是组成世界的基本要素；恩培多克勒又提出多元素本原论。多家学说的流行促进了人们去探究物质的真正本源，古希腊元素论为留伯基和德谟克利特的原子论奠定了重要思想基础。
德谟克利特
古希腊自然哲学家阿那克萨戈拉的“种子论”是对物质基本构成的新探索，德谟克利特在此基础上，从物质构造层面猜想不可分割的物质，既而提出原子论。德谟克利特认为原子有各自的大小、形状和位置，不同的物质由不同原子构成；原子是不可分割的，是构成物质的本源；原子的数目是无限的，性质是相同的，外部形状的不同、结合时不同的排列顺序及位置的差异、相互碰撞后形成的各种旋涡形成了生物的多样性；运动是原子的本质特征；原子体积是很小的，肉眼是无法观察到的。
近代原子微粒说
1661年罗伯特·波义耳（R.Boyle）出版了《怀疑的化学家》，这一著作的问世，被誉为“近代化学的开端”。在书中，R.Boyle对17世纪60年代以前欧洲的化学思想提出了怀疑，其中包括"元素"概念、化学物质的构成方式。
18世纪中期，俄国科学家罗蒙诺索夫（Mikhil Vasilievich Lomonosov）在微粒哲学的基础上阐述了物质结构的概念，他认为物体是由微粒组成的，物体的性质取决于组成物体的微粒的性质，物体的微粒运动的结果产生热。
1803年，英国科学家道尔顿（John Dalton）把原子学说第一次从推测转变为科学概念。道尔顿原子论的创立是近代原子论的重要里程碑，他提出了著名的原子学说：物质是由具有一定质量的原子构成的，元素是一类原子的总称，化合物是由构成该化合物成分的元素的原子结合而成的，进一步说明了化学反应的实质就是原子的重新组合，通过原子量的计算，可以推测物质的组成。
道尔顿
法国化学家在进行气体实验的基础上，发现了“气体化合定律”与道尔顿原子论相互补充，为阿伏伽德罗“分子-原子”学说奠定了基础。
1811年，意大利科学家阿伏加德罗（Ameldeo Avogardo）认为构成气体的粒子不是原子，而是分子。单质属于分子，分子是由同种原子构成的，化合物的分子是由几种不同的原子构成的。在此基本框架上，经过科学家们的不断探索，新的原子分子学说逐步完善：物质是由分子组成的，分子是保留原物质性质的最小微粒。分子是由原子组成，原子则是用化学方法不能再分割的最小粒子，它已失去了原物质的性质 。
1827年，英国科学家布朗（Robert Brown）通过实验证实了分子的存在和分子运动的存在。
现代原子结构论
直到19世纪末，“原子不可分割”这一理论才被推翻。
1895年11月8日，德国物理学家伦琴发现了x射线，因此获得1901年首届诺贝尔物理学奖；
1896年5月18日，法国物理学家贝克勒尔发现了天然物质铀的放射性现象，后来居里夫妇又发现已知元素钍的放射性，并发现了新的放射性元素钋和镭；
1897年4月30日英国物理学家汤姆逊发现了电子。
X射线、原子放射性和电子的发现被称为19世纪末物理学的三大发现。尤其是电子的发现突破了道尔顿原子模型的框架。既然电子来源于原子，就完全可以证明原子是可分的。
1904年汤姆逊提出了一种原子模型．认为原子的主体部分是一个平均分布着正电荷的原子球，带正电荷的原子球中镶嵌着许多电子，电子和正电荷相互抵消，从而原子显中性。原子中的正负电荷通过静电作用达到稳定，电子就像葡萄干镶嵌在原子球的面包上一样，这个模型被叫做葡萄干面包模型。
1911年欧内斯特·卢瑟福提出带原子核的原子构型。他做了著名的α粒子散射实验。实验用高速飞行的α粒子轰击极薄的金箔，发现绝大多数α粒子并没有改变它们的前进方向，但是一小部分α粒子改变了原来的运动方向，有一定角度的偏转。即发生了散射现象；只有极少数的α粒子偏转得特别厉害，甚至完全弹了回来。这些新发现的实验现象用汤姆逊的“枣糕”模型是无法解释的。卢瑟福原子模型认为原子中绝大部分空间是被带有负电的电子占据的，但是在中心的微小区域里有一个原子核，它包含了所有的正电荷及几乎整个原子的质量，并且把构成原子核的粒子称为质子。但是，该模型解释了物质的带电属性，但是不能解释所有原子的质量，直到1932年查德威克(James Chadwick)发现原子核中还有另外一种不带电的粒子(中子)后，这个问题才被解决，即原子的质量主要由带正电荷的质子和不带电荷的中子共同决定。
1913年玻尔依据普朗克的量子理论，提出了原子的量子化轨道模型的假说。在玻尔模型中，电子不是随意占据在原子核的周围，而是在固定的层面上运动，当电子从一个层面跃迁到另一个层面时，原子便吸收或释放能量，玻尔在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型。
1923年法国物理学家德波罗意提出电子等微观粒子也具有波动性和粒子性的假说；
1926年奥地利物理学家薛定谔建立了电子波动方程；德国物理学家海森堡提出“测不准原理”。电子在核外有些地方出现的几率大，在有些地方出现的几率小，通常用所谓的“电子云”名称形象地加以描述。电子运动的轨道也不是传统意义上的轨道。而是通过求解薛定谔波动方程的一个统计值，指的是电子出现几率最大的区域。
构成
原子核
原子核（atomic nucleus）是由质子和中子构成。原子的质量主要就集中在原子核，占到99.96%以上原子的质量。原子核体积极小，直径在10至10m之间，体积只占原子体积的几千亿分之一。原子核的密度极大，约为1014g/cm，构成原子核的质子和中子之间存在介子，以传递原子核内巨大的吸引力称作强力，强力比电磁力强137倍，故能克服质子之间所带正电荷的电磁斥力而结合成原子核。原子核的能量极大, 当原子核发生裂变或聚变时，会释放出巨大的原子核能，即原子能。
质子（proton）
带有1.6 × 10库仑(C)正电荷，质子的直径约为1.6~1.7×10 m，质量约为1.6726×10Kg。质子含有两个上夸克和一个下夸克 ，还有所谓的虚夸克和反夸克 ，虚夸克和反夸克由胶子形成 (弹簧状 )，胶子是强力场粒子；还有奇异夸克及其反夸克。所有的粒子都有其自身的角动量或自旋，粒子的转动形成轨道角动量，最终产生质子的自旋1／2。
中子（neutron）
作为组成原子核的基本粒子之一，不带电，因此被称为中子。它是由剑桥大学卡文迪许实验室的英国物理学家詹姆斯·查德威克于1932年发现的。中子对轻的原子核非常敏感，能够精确测得分子结构中的氢原子位置，还能定位“掺杂”在重原子中的其他轻原子。中子的这种特性，使它能够“拍摄”到材料的微观结构，跟踪正在运动中的原子核分子的行为。
电子
汤姆孙使用真空度极高的管子在1897年证实了阴极射线在电场中发生偏转，这是判定阴极射线实际是带电粒子的决定性证据。自此以后，阴极射线便被承认是一种粒子，该粒子（即电子）的质量仅仅是氢原子质量的一个很小的分数值(现在已知值为1／1837)。电子带负电，电量为1.602×10C，是电量的最小单元，质量为9.10956×10kg（氢原子质量的1/1830），常用符号e表示。
电子云
由于电子在原子核外同不区域出现的概率不同，通常用小黑点来表示核外电子在某处出现的几率大小。小黑点密，说明电子云密度值大，即电子在该处出现的几率大；小黑点疏，说明电子云密度值小，即电子在该处出现的几率小；电子出现机会最大的区域，就是电子云密度最大的地方。把电子出现的几率相等的地方联接起来的线，称为等密度线，亦称电子云的界面，这个界面所包括的空间范围称为原子轨道。
电子云轮廓图
特性
核辐射
通常称之为放射性，存在于所有的物质之中。核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流，这种核转变也叫做放射性核衰变。核衰变有三种类型。
α衰变
β衰变
放射性核自发地放射处β射线（高速电子）或者俘获轨道电子而变成另一种新核的现象。β¯衰变，原子核自发地放射出一个电子的核转变过程，核内的一个中子转变为质子，同时释放一个电子和一个反电中微子；β衰变，原子核自发地放射出一个正电子的核转变过程，核内的一个质子转变成中子，同时释放一个正电子和一个电微中子。
γ衰变
原子磁矩
在原子中，电子因绕原子核运动而具有轨道磁矩；电子因自旋具有自旋磁矩；原子核、质子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩，而原子磁矩就是原子内部各种磁矩总和的有效部分，物质具备磁性的本质原因就是因为原子磁矩。
原子能级
原子由原子核和核外绕核运转的电子构成，电子由于具有不同的能量，就按照各自不同的轨道围绕原子核运转，即能量不同的电子处于不同的相应等级。原子处于最低能级，电子在离核最近的轨道上运动的定态称为基态；原子吸收能量后从基态跃迁到较高能级，电子在较远的轨道上运动的定态称为激发态。
冷原子
温度是物质内部热运动的量度，若让原子无限接近绝对零度，就可以形成冷原子。冷原子的特性：动能小，可用弱场(如磁场梯度、光场)操控，空间位置可高精度控制；de Broglie波长大，原子的物质波波动性明显；热运 动小，光谱一级和二级Doppler加宽很小，有利于精密测量；速度低，原子与光相互作用时间长。
重要参数
原子半径
指基态电子组态的原子中，最外层电子到原子核的距离。原子半径与原子所处的环境有关。原子半径取决于它与环境中原子之间的相互作用力，于是原子半径通常就用原子与原子之间作用力的性质来定义。
共价半径
同种元素的原子以共价键键合成分子或晶体时，键连原子间距离的一半称为共价半径，影响共价半径大小的因素有：共价键的键级、共价键的极性、原子轨道杂化方式等。
金属半径
金属晶体中两个临近原子距离的一半即为金属半径。
范德华半径
在分子晶体中，两个相邻原子间距离的一半即为范德华半径。
相对原子质量
以一种碳原子质量的1/12作为标准（约1.67×10kg），其他原子与它相比较，所得的比值，作为这种原子的相对原子质量，简称原子量，符号为Ar，单位为1。
电离能
价电子
一般指的是原子核外最外层电子，但是过渡元素的价电子不仅是最外层电子，次外层电子及某些元素的倒数第三层电子也可成为价电子。
电负性
电负性表示原子形成正负离子的倾向或化合物中原子对成键电子的吸引能力相对大小的量度。随着原子序数的递增，原子电负性呈现规律性变化。
电子亲和能
指基态气态原子获得一个电子变成负一价气态离子释放出的能量称为该原子的第一电子亲和能，同理也有第二电子亲和能。第一电子亲合能一般为正值，而第二电子亲和能一般均为负值。电子亲和能越大，表示气态原子得到电子倾向性越大，非金属性也就越强。
原子数与原子序数
某元素于非单原子状态（分子或化合物）时的数目，在化学式中写在元素符号的右下方（右下标）。如：CO2，数字2的意义为：一个CO2分子含有两个O原子。
相关概念
核素
一类具有确定质子数、中子数和能量状态的中性原子。核素的表示形式：X、ZX，例如O。
同位素
同核异能素
质量数和质子数均相同但处于不同能量状态的一类核素。原子核和原子一样具有分立的能级状态，一定条件下，可以在不同能级间跃迁。
同中子异位素
具有相同中子数，不同质子数的一类核素。如，18Ar、20Ca。
同量异位素
质量数相同，质子数不同的一类核素。如，18Ar、20Ca。
