原子

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概述

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近代原子概念是在1803年由英国J.道尔顿提出的,主要内容有3点:

1.一切化学元素都是由不能再分割、不能毁灭的微粒组成的,这种微粒称为原子。

2.同一种元素的原子的性质和 质量都相同 , 不同元素的原子的性质和质 量都不同。

3.两种不同元素的化合作用是一种元素的一定数目的原子与另一种元素的一定数目的原子结合而形成化合物的各个分子

自从放射性元素发现以后,原子是可以蜕变和分裂的,因此,道尔顿关于原子不可分割的说法应该加以修正,只能说在普通的化学反应中,原子不可分。同位素的发现也改变了同一种元素的原子的性质和重量都相同的说法,因为同一种元素的各种同位素的质量是不同的。1913年英国 H.G.J. 莫塞莱提出原子序数概念,指出同一种元素的各原子的质量可能不等,由此可见,一种元素所有的原子的基本特征仍是原子序数。

定义

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化学变化中的最小微粒

物理中物质构成的最基本粒子

性质

①原子的质量非常小

②不停地作无规则运动

③原子间有间隔

④同种原子性质相同,不同种原子性质不相同

特点

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原子组成含:核子(质子,中子),电子,并隐含中微子

原子,是化学元素最小组成单元,是组成分子和物质的基本单元,它具有该元素的化学性质。原子由带正电荷的原子核和在原子核的库仑场中运动的带负电的电子组成。核电荷数或原子序数Z,是组成原子核的质子数。原子是非常微小的粒子。假设原子是球体的话,典型原子的直径大约是10-8厘米, 质量大约是10-23克。原子的概念最初是由英国化学家约翰?道尔顿提出的。1803年他发表“原子说”,提出所有物质都是由原子构成。

构成

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原子的中心是一个微小的由核子(质子和中子)组成的原子核,占据了整个原子的绝大部分质量。原子核中的质子和中子紧密地堆在一起,因此原子核的密度很大。质子和中子的质量大至相等,中子略高一些。质子带正电荷,中子不带电荷,是电中性的。所以整个原子核是带正电荷的。原子核即使和原子相比,还是非常细小的——比原子要小100,000倍。原子的大小主要是由最外电子层的大小所决定的。如有原子是一个足球场,那原子核就是场中央的一颗绿豆。所以原子几乎是空的,被电子占据着。

性质

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某些原子核固有的核特征

电子是带负电荷的。它们远比质子和中子轻,质量只有质子的约1/1836。它们高速地围著原子核运转。电子围绕原子核的轨道并不都一样。

在一颗电中性的原子中,质子和电子的数目是一样的。另一方面,中子的数目不一定等于质子的数目。带电荷的原子叫离子。电子数目比质子小的原子带正电荷,叫阳离子。相反的原子带负电荷,叫阴离子。金属元素最外层电子一般小于四个,在反应中易失去电子,趋向达到稳定的结构,成为阳离子,非金属元素最外层电子一般多于四个,在化学反应中易得到电子,趋向达到稳定的结构,成为阴离子。

原子序决定了该原子是那个族或那类元素。例如,碳原子是那些有6颗质子的原子。所有相同原子序的原子在很多物理性质都是一样的,所显示的化学反应都一样。质子和中子数目的总和叫质量数。

只有94种原子是天然存在的每种原子都有一个名称,每个名称都有一个缩写。俄国化学家门捷列夫根据不同原子的化学性质将它们排列在一张表中,这就是元素周期表。为纪念门捷列夫,第101号元素被命名为钔。首11种原子(或元素)依次为、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖 和 钠。它们的简写是H、He、Li、Be、B、C、N、O、F、Ne、Na。

发展史

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道尔顿的原子模型

英国自然科学家约翰·道尔顿将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学理论,提出了世界上xxx个原子的理论模型。他的理论主要有以下四点:

①所有物质都是由非常微小的、不可再分的物质微粒即原子组成

②同种元素的原子的各种性质和质量都相同,不同元素的原子,主要表现为质量的不同

③原子是微小的、不可再分的实心球体

④原子是参加化学变化的最小单位,在化学反应中,原子仅仅是重新排列,而不会被创造或者消失。

虽然,经过后人证实,这是一个失败的理论模型,但道尔顿xxx次将原子从哲学带入化学研究中,明确了今后化学家们努力的方向,化学真正从古老的炼金术中摆脱出来,道尔顿也因此被后人誉为“近代化学之父”。

葡萄干布丁模型(核模型)

葡萄干布丁模型(枣核模型)由汤姆生提出,是xxx个存在着亚原子结构的原子模型。

汤姆生在发现电子的基础上提出了原子的葡萄干布丁模型(枣核模型),汤姆生认为:

①正电荷像流体一样均匀分布在原子中,电子就像葡萄干一样散布在正电荷中,它们的负电荷与那些正电荷相互抵消

②在受到激发时,电子会离开原子,产生阴极射线

汤姆生的学生卢瑟福完成的α粒子轰击金箔实验(散射实验),否认了葡萄干布丁模型(枣核模型)的正确性。

土星模型

在汤姆生提出葡萄干布丁模型同年,日本科学家提出了土星模型,认为电子并不是均匀分布,而是集中分布在原子核xxx的一个固定轨道上。

行星模型

行星模型由卢瑟福在提出,以经典电磁学为理论基础,主要内容有:

①原子的大部分体积是空的;

②在原子的中心有一个体积很小、密度极大的原子核;

③原子的全部正电荷在原子核内,且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行高速的绕核运动。

随着科学的进步,氢原子线状光谱的事实表明行星模型是不正确的。

玻尔的原子模型

为了解释氢原子线状光谱这一事实,卢瑟福的学生玻尔接受了普朗克的量子论和爱因斯坦的光子概念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。玻尔原子结构模型的基本观点是:

①原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道(orbit)上绕原子核运动,不辐射能量

②在不同轨道上运动的电子具有不同的能量(E),且能量是量子化的,轨道能量值依n(1,2,3,。..)的增大而升高,n称为量子数。而不同的轨道则分别被命名为K(n=1)、L(n=2)、M(n=3)、N(n=4)、O(n=5)、P(n=6)、Q(n=7)。

③当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时,才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下来,就形成了光谱。

玻尔的原子模型很好的解释了氢原子的线状光谱,但对于更加复杂的光谱现象却无能为力。

现代量子力学模型

物理学家德布罗意、薛定谔和海森堡等人,经过13年的艰苦论证,在现代量子力学模型在玻尔原子模型的基础上很好地解释了许多复杂的光谱现象,其核心是波动力学。在玻尔原子模型里,轨道只有一个量子数(主量子数),现代量子力学模型则引入了更多的量子数(quantum number)。

①主量子数(principal quantum number),主量子数决定不同的电子亚层,命名为K、L、M、N、O、P、Q

②角量子数(angular quantum number),角量子数决定不同的能级,符号“l”共n个值(1,2,3,...n-1),符号用s、p、d、f、g,表示对多电子原子来说,电子的运动状态与l有关。

③磁量子数(magnetic quantum number)磁量子数决定不同能级的轨道,符号“m”(见下文“磁矩”)。仅在外加磁场时有用。“n”“l”“m”三个量确定一个原子的运动状态。

④自旋磁量子数(spin m.q.n.)处于同一轨道的电子有两种自旋,即“↑↓”自旋现象的实质还在探讨当中。

历史意义

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要了解道尔顿的原子学说的提出,要溯源至古希腊时期的原子学说。古希腊的哲学家留基伯首先提出了关于原子的学说,后经他的学生德谟克利特的进一步 发展,形成了欧洲最早的朴素唯物主义的原子论,德谟克利特认为:宇宙万物是由世界上最微小的、坚硬的、不可入、不可分的物质粒子构成的,他将这种粒叫作“原子”。他认为,原子在性质上相同,但在形状大小上却是多种多样的。万物之所以不同,就是由于万物本身的原子在数目、形状和排列上各有不同,就是由于万物本身的原子在数目、形状和排列上各有所不同。并且认为,原子总在不断运动,运动是原子本身所因有的性质。无数的原子在空间中不断运动、互相碰撞而形成世界及其中的事物。月、日、星辰是由原子构成的,甚至人的灵魂也是由原子构成的。由此可见,德谟克利特的原子论论证了世界的物质性,对自然界的本质提出了大胆而有创造性的臆测,比较深刻地说明了物质结构,肯定了运动是物质的属性,因而具有重要的意义。

基本构成

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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,随着科学的发展,原子被认为是由电子、质子、中子(氢原子由质子和电子构成)构成,它们被统称为亚原子粒子。几乎所有原子都含有上述三种亚原子粒子,但氕(氢的同位素)没有中子,其离子(失去电子后)只是一个质子。

质子带有一个正电荷,质量是电子质量的1836倍,为1.6726×10^-27 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1.6929×10^-27 kg。中子和质子的尺寸相仿,均在2.5×10^-15 m这一数量级,但它们的表面并没能精确定义。

原子尽管很小,用化学方法不能再分,但用其他方法仍然可以再分,因为原子也有一定的构成。原子是由中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的(反物质相反),原子核是由质子和中子两种粒子构成的,电子在核外较大空间内做高速运动。

在物理学标准模型理论中,质子和中子都由名叫夸克的基本粒子构成。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+2/3就是-1/3。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,是一种用来传递力的基本粒子。

亚原子粒子具有量子化特征和波粒二象性,公式表述为:λ=h/p=h/mv,式中λ为波长,p为动量,h为普朗克常数( 6.626×10^-34 J·S)。

电子

在一个内部接近真空、两端封有金属电极的玻璃管通上高压直流电,阴极一端便会发出阴极射线。荧光屏可以显示这种射线的方向,如果外加一个匀强电场,阴极射线会偏向阳极;又若在玻璃管内装上转轮,射线可以使转轮转动。后经证实,阴极射线是一群带有负电荷的高速质点,即电子流。电子由此被发现。

电子是最早发现的亚原子粒子,到目前为止,电子是所有粒子中最轻的,只有kg,为氢原子的[1/1836.152701(37)],是密立根在1910年前后通过著名的“油滴实验”做出的。电子带有一个单位的负电荷,即4.8×10^-19静电单位或1.6×10^-19库伦,其体积因为过于微小,现有的技术已经无法测量。

现代物理学认为,电子属于轻子的一种是构成物质的基本单位之一(另一种为夸克)。

电子云

电子具有波粒二象性,不能像描述普通物体运动那样,肯定他在某一瞬间处于空间的某一点,而只能指出它在原子核外某处出现的可能性(即几率)的大小。电子在原子核各处出现的几率是不同的,有些地方出现的几率大,

有些地方出现的几率很小,如果将电子在核外各处出现的几率用小黑点描绘出来(出现的几率越大,小黑点越密),那么便得到一种略具直观性的图像,这些图像中,原子核仿佛被带负电荷的电子云物所笼罩,故称电子云。

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。

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。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。

前五个原子轨道的波函数

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。

把核外电子出现几率相等的地方连接起来,作为电子云的界面,使界面内电子云出现的总几率很大(例如90%或95%),在界面外的几率很小,有这个界面所包括的空间范围,叫做原子轨道,这里的原子轨道与宏观的轨道具有不同的含义。

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。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。

原子轨道是薛定谔方程的合理解,薛定谔方程为一个二阶偏微方程

(^2ψ/x^2)+(^2ψ/y^2)+(^2ψ/z^2)=-(8π^2)/(h^2)·(E-V)ψ,

该方程的解ψ是x、y、z的函数,写成ψ(x,y,z)。为了更形象地描述波函数的意义,通常用球坐标来描述波函数,即ψ(r,θ,φ)=R(r)·Y(θ,φ),这里R(r)函数是与径向分布有关的函数,称为径向分布函数;Y(θ,φ)是与角度分布有关的,称为角度分布波函数。

原子核

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A是核子的总数。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。

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。

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。

核素图

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。

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。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。

核聚变

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。

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。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

在α粒子散射实验中,人们发现,原子的质量集中于一个很小且带正电的物质中,这就是原子核。

原子核也称作核子,由原子中所有的质子和中子组成,原子核的半径约等于1.07×A^1/3 fm,其中A是核子的总数。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。

重要参数

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质量数

(mass number)由于质子与中子的质量相近且远大于电子,所以用原子的质子和中子数量的总和定义相对原子质量,称为质量数。

相对原子质量

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1.66×10-27kg。氢最轻的一个同位素氕是最轻的原子,重量约为1.007825u。一个原子的质量约是质量数与原子质量单位的乘积。最重的稳定原子是铅-208,质量为207.9766521u。

摩尔

(mole)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6.022×10^23个。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(1.66×10-27x6.022×10^23=9.99652x10-4≈10x10-4=0.001kg)0.001kg,也就是1克。例如,碳-12的原子质量是12u,一摩尔碳的质量则是0.012kg。

物质构成

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金属单质(铁、铜等)

少数非金属单质(例:金刚石、石墨

现状

红超巨星的剖面图显示出核合成和元素的形成

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、锂和氘,有可能也产生了一些铍和硼。在理论上,最初的原子(有束缚的电子)是在大爆炸后大约380,000 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.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。

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。大部分地壳中的氦都是α衰变的产物。

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。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。在所有超铀元素──原子序数大于92的元素中,只有钚和镎在地球中自然出现。

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。最有可能的稳定超重元素是Ubh,它有126 个质子和184 个中子。

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。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。

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渺子代替,形成渺子原子。这些类型的原子可以用来测试物理学的基本预言。

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词条目录
  1. 概述
  2. 定义
  3. 性质
  4. 特点
  5. 构成
  6. 性质
  7. 发展史
  8. 道尔顿的原子模型
  9. 土星模型
  10. 行星模型
  11. 玻尔的原子模型
  12. 现代量子力学模型
  13. 历史意义
  14. 基本构成
  15. 亚原子粒子
  16. 电子
  17. 电子云
  18. 前五个原子轨道的波函数
  19. 原子核
  20. 核素图
  21. 核聚变
  22. 重要参数
  23. 质量数
  24. 相对原子质量
  25. 摩尔
  26. 物质构成
  27. 现状
  28. 核合成
  29. 地球
  30. 理论形式

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