原子理论

金色的田野 2011-03-20

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据说人类在20世纪已经开始利用原子能。我们成功地制造了原子弹并且已经开始使用核动力发电。我们甚至还将原子分成了称为“亚原子粒子”的更小部分。

那原子到底是什么？它是由什么构成的？它会是什么样子？对原子结构的研究使得化学和物理学的许多方面很好地结合在一起，这或许是其对现代科学的最大贡献之一！

最简单的原子模型

在本文中，我们将回顾这一段颇具吸引力的科学发展经历，介绍各个科学领域的发现是如何推动我们现代原子观的成形的。我们将探讨了解原子结构的重要性以及该结构如何推动新技术的产生。

重要术语

原子——元素中保持其化学性质的最小部分
化合物——通过化学反应可以分解成元素的物质
电子——围绕原子的核子作轨道运动、带有负电荷的粒子（质量= 9.10 x 10^-28克）
元素——不能通过化学反应加以分解的物质
离子——带有电荷的原子（也就是带有过量正电荷或负电荷）
分子——化合物中保持其化学性质的最小部分（由两个或多个原子组成）
中子——原子核中不带电荷的粒子（质量= 1.675 x 10^-24克）
核子——原子的高密度核心（由质子和中子组成）
质子——原子核中带正电荷的粒子（质量= 1.673 x 10^-24克）

现代原子观来源于化学和物理学的许多领域。原子概念来源于古希腊的科学/哲学以及18世纪和19世纪的化学研究成果：

原子概念
原子质量的测量
元素之间的循环或周期性关系

原子概念
从古希腊一直到今天，人类都在思考普通物质是由什么组成的。为了帮助理解这个问题，在Carl H. Snyder著作的“The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things, 3rd Edition”一书中有下面这样一个简单的证明：

取一堆回形针（所有回形针大小和颜色相同）。
将这一堆回形针分成数量相等的两堆。
将每个更小的回形针堆分成相等数量的两堆。
重复步骤3，直到一堆只包含一个回形针。每个回形针仍然能起到回形针的作用（即能将松散的纸张夹在一起）。
现在，拿一个剪刀将一个回形针剪成两半。此时半个回形针还能像一个回形针那样使用吗？

如果对任何元素都这样做，您最终将得到一个与元素属性相同的不可分割部分，就好比一个回形针不能再分割一样。这个不可分割的部分称为“原子”。

原子的想法最初由德谟克利特在公元前530年提出。在1808年，英国一位名叫约翰•道尔顿的学校教师和科学家提出了现代原子论。现代原子论只是表明了以下观点：

每种元素都是由原子构成的——回形针堆。
任一元素的所有原子都相同——回形针堆中的所有回形针大小和颜色均相同。
不同元素的原子不相同（大小、性质）——好比不同大小和颜色的回形针。
不同元素的原子可组合成化合物——正如您可以将不同大小和颜色的回形针组合在一起，形成新的结构。
在化学反应中，不会生成、消灭或更改原子——不会出现新回形针、不会丢失回形针，也不会出现回形针的大小或颜色发生改变的情况。
在任何化合物中，原子的数量和种类保持相同——开始时所用的回形针总数和种类在结束时保持不变。

道尔顿的原子论奠定了当时化学的根基。道尔顿将原子想象为带有钩的微小球体。借助这些钩，一个原子可以按定比与另一个原子结合在一起。但是，有些元素则可能结合成不同的化合物，例如，氢和氧可能结合成水或过氧化氢。因此，他无法解释清楚具体物质的分子中每个原子的数量。水到底是一个氧结合一个氢还是一个氧结合二个氢？这一问题直到化学家找出原子的测重方法之后才得到解答。

一位名叫阿梅德奥•阿伏加德罗的意大利化学家通过观察，发现能够测量原子的重量。阿伏加德罗当时正在处理气体（氮、氢、氧、氯），他注意到当温度和压力相同时，这些气体会按一定的体积比化合在一起。例如：

一升氮气和三升氢气化合得到氨(NH₃)
一升氢气和一升氯气化合生成氯化氢(HCl)

阿伏加德罗指出，在相同温度和压力下，体积相等的气体分子数是相同的。因此，通过称一定体积的气体的重量，他可以确定原子质量的比率。例如，一升氧气的重量是一升氢气的16倍，因此一个氧原子的质量肯定是一个氢原子质量的16倍。这项工作最终得到元素之间的相对质量比，所有元素都与碳12元素相对比。在测出相对质量比之后，后来的实验能够将物质的质量（以克为单位）与原子数关联起来，并且找到了原子质量单位(amu)；1amu或道尔顿等于1.66x10-24克。

此时，化学家已经知道元素的原子质量以及它们的化学性质，并且发现这些元素中的一个惊人现象！
在原子质量得以确定时，一位叫德米特里•门捷列夫的俄国化学家正在编写一本教科书。在他的书中，他开始按照元素的性质组织元素顺序，将元素及其新发现的原子质量放在卡片上。他按原子质量的增加排列元素，发现性质相似的元素会按特定的间隔或周期出现。门捷列夫的元素表遇到两个问题：

周期表中存在一些空缺。
按性质分组时，大多数元素的原子质量可以按增序排列，但是有些元素却次序混乱。

对于这些空缺，门捷列夫解释说是因为存在未发现的元素。事实上，他的元素周期表成功预测了镓和锗的存在，而这两种元素都在后来被发现。但是，门捷列夫始终没法解释为什么有些元素次序混乱，或者说元素为什么会表现出这个周期性特点。然而这个问题只有在知道了原子结构之后才能解答。

要了解原子的结构，我们必须明白以下问题：

原子包括哪些组成部分？
这些组成部分如何排列？

在19世纪末，原子还被认为是不可分割的小球体（道尔顿的观点）。但是，19世纪末和20世纪初人们在化学、电磁学、放射学以及量子力学领域的一系列发现彻底改变了这一观点。这些领域的贡献包括：

原子的组成部分：
- 化学和电磁学 ---> 电子（第一个被发现的亚原子粒子）
- 放射学 ---> 核子
  - 质子
  - 中子
原子排列方式——量子力学综合了以下两种模型：
- 原子光谱 ---> 原子的波尔模型
- 波粒二象性 ---> 原子的量子模型

在19世纪晚期，化学家和物理学家当时正在研究电与物质之间的关系。他们对装有低压气体（水银、氖、氙）的玻璃管加上高压电流，这与霓虹灯非常相似。电流从一个电极（阴极）借助称为“阴极射线”的波束通过气体传导到另一个电极（阳极）。在1897年，英国的物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生进行了一系列实验，得出以下结果：

他发现如果将上述的玻璃管放在电场或磁场中，阴极射线可能发生偏转或移动（这就是电视上阴极射线管（CRT）的工作原理）。
通过单独应用电场、磁场或把二者结合起来应用，汤姆生测量出了阴极射线的荷质比。
他发现阴极射线的荷质比始终不变，与玻璃管中的物质或阴极的材料无关。

汤姆生得出以下结论：

阴极射线是由带负电荷的微小粒子组成，这种粒子称为“电子”。
电子应该来自气体原子的内部或金属电极。
荷质比对于任何物质都是相同的，这表明电子应该是所有原子的基本组成部分。
电子的荷质比非常高，这说明电子肯定非常小。

后来，一位名叫罗伯特•米利肯的美国物理学家成功测量了电子的电荷。借助这两个数字（电荷，荷质比），物理学家计算得出电子的质量为9.10x10-28克。比如，一美分的质量为2.5克，它相当于2.7 x 1027个电子的重量！

电子的发现还得出了另外两个结论：

电子带有负电荷，而原子却表现为不带电的中性，这说明在原子中肯定存在正电荷。
电子比原子小许多，这表明在原子内部肯定存在其他比电子更大的粒子。

根据这些结论，汤姆生提出了类似西瓜的原子模型。西瓜的红瓤部分好比是带正电荷的部分，而西瓜子就好比是电子。

在汤姆生进行阴极射线实验的同时，亨利·贝克勒尔、玛丽·居里、皮埃尔·居里和欧内斯特·卢瑟福等物理学家也正在研究放射学。放射现象的特点在于释放三种射线（有关详细信息，请参见核辐射揭秘）：

阿尔法粒子——带正电荷的重粒子。欧内斯特·卢瑟福证实这些粒子就是氦原子的核子。
贝塔粒子——带有负电荷的轻粒子（后来证实是电子）。
伽马射线——不带电荷，无质量（也就是能量）。

卢瑟福和他的同事进行的放射学实验为我们了解原子结构做出了最大的贡献。卢瑟福用阿尔法粒子束轰击一个金箔，同时在一个荧光屏上观察粒子束，他发现：

大多数粒子都能直接通过金属箔击中屏幕。
有些粒子(0.1%)会在金箔前面按不同的角度偏转或散射，而其他一些粒子则会在金属箔后面散射。

卢瑟福据此总结，金原子中的大部分是真空的，允许大多数阿尔法粒子直接通过。但是，原子的某些小区域肯定足够密集，才能使阿尔法粒子偏转或散射。他称这个密集区域为“核子”（有关利用Java对此重要实验的形象模拟，请参阅卢瑟福实验！）；核子集中了原子的绝大部分质量。后来，卢瑟福用阿尔法粒子轰击氮，会发射出比阿尔法粒子轻、带有正电荷的粒子。他称这些粒子为“质子”，并且认识到它们是核子中的基本粒子。质子的质量为1.673 x 10-24克，大约是电子的1835倍！

但是，质子并不是核子中唯一的粒子，因为任何指定元素中质子（数量由电荷确定）的重量都要比核子的重量轻。因此，肯定存在第三种不带电荷的中性粒子！英国的一位物理学家同时也是卢瑟福的同事詹姆斯•查德威克发现了第三种亚原子粒子，即中子。查德威克用阿尔法粒子轰击铍箔，发现会出现中性放射物。这种中性放射物可进而从其他物质的核子中撞出质子。查德威克据此推断此放射物应是中性不带电荷的粒子束，质量应该与质子基本相同；中子的质量为1.675 x 10-24克。

卢瑟福的原子观

既然已经知道了原子的组成部分，那它们是怎么排列成一个原子的呢？卢瑟福的金箔实验表明核子位于原子的中心而且原子中大部分是真空的。因此，他将原子想象为中心是带有正电核的核子，带有负电荷的电子环绕在周围，就好比卫星环绕在行星周围。尽管他没有证据证明电子确实环绕在核子周围，但是他提出的模型似乎很合理；但是，也因此提出了另一个问题：电子做环绕运动时，它们会失去能量、发出光，失去能量会减慢电子的运行速度。与任何卫星一样，速度逐渐减慢的电子会最终会坠落到核子上。而事实上经过计算，卢瑟福设想的原子只能维持数十亿分之一秒就会崩溃！那肯定有什么地方没有考虑到！

在放射学领域发现各种粒子的同时，物理学家和化学家仍在研究光与物质之间是如何相互作用的。正是这些研究开辟了量子力学领域，推动了原子的结构问题的解决。

量子力学量子力学是物理学的一个分支，旨在按粒子波动性质在原子和亚原子的级别研究粒子运动的问题。

量了力学使原子真相大白：波尔模型

物理学家和化学家研究当电流通过含有气体元素（氢、氦、氖）的玻璃管时以及用火焰加热元素（例如纳、钾、钙等）时所发出的光的本质。他们将这些光源发出的光通过一个分光计（包含一个窄缝和一个玻璃棱镜的设备）。

美国国家航空航天局供图
白光通过棱镜。

美国国家航空航天局供图
白光的连续光谱。

现在，当太阳光通过棱镜时，您就可以获得一个象彩虹一样的彩色连续光谱。但是，当来自这些不同光源的光通过棱镜时，他们发现在黑色的背景上只有少数离散的谱线。

美国国家航空航天局供图
氢光谱

美国国家航空航天局供图
氦光谱

每种元素都有一个唯一的光谱，光谱内的每根谱线的波长都有特定的能量（有关波长与能量之间关系的详细信息，请参阅光的原理）。

在1913年，一位名叫尼尔斯•波尔的丹麦物理学家将卢瑟福的发现成果与观察到的光谱相结合，用跳跃的直觉思维提出了一种新的原子模型。波尔提出在原子周围沿轨道运行的电子只能在特定的能级存在（也就是距核子一定的距离），而不是卢瑟福原子模型中所期望的连续能级。当气管中的原子吸收来自电流的能量时，电子会被激活，于是便从低能级（接近核子）跃迁到高能级（距核子更远）。激活态的电子将会恢复到原来的能级，以光的形式释放出能量。由于能级之间存在特定的差异，因此在光谱中只能看到特定波长的光（谱线）。

不同原子的波尔模型。

波尔模型的主要优势就是它解释得通。它说明了几个问题：

原子光谱——如上所述
元素的周期性特点——性质相似的元素拥有相似的原子光谱。
- 相同大小或能量的每个电子轨道（电子层）只能容纳如下数量的电子。
  - 第一电子层=两个电子
  - 第二电子层=八个电子
  - 第三电子层和更高电子层=八个电子
- 当一个电子层填满时，电子就会存在于更高的电子层。
- 化学性质取决于最外电子层中的电子数。
  - 最外电子层装满了电子的元素不会起反应。
  - 其他元素会获取或给予电子，使最外电子层变满。

事实证明，波尔的模型还有助于解释激光的作用，尽管激光设备直到20世纪中期才被发明。

在量子力学领域有新发现之前，波尔的模型一直占据主导地位。

虽然波尔模型能充分解释原子光谱的原理，但是物理学家和化学家们还是为几个问题所困扰：

电子为什么会被限制到恰好合适的特定能级？
电子为什么不一直发光？
- 电子在环形轨道中改变方向（即加速）时，它们应该会发光。
波尔模型能够很好地解释最外电子层有一个电子的原子光谱，但是对于最外电子层有多个电子的原子光谱却并不能做出令人满意的解释。
为什么只能在第一个电子层中放两个电子，而之后的每个电子层中却能够放八个电子？怎么会是这么特殊的两个和八个？

显然，波尔模型还是有什么没考虑到！

在1924年，一位名叫路易·德布罗伊的法国物理学家提出，电子可能象光一样，具有波粒二象性（有关详细信息，请参见《德布罗伊相位波动画》）。德布罗伊的假设很快在实验中得到了确认，证实电子束通过窄缝时可发生衍射或折射，这与光非常相似。因此，限制在核子周围轨道中运行的电子所产生的波将形成一个特定波长、能量和频率（即波尔的能级）的驻波，就象吉他的琴弦在拨弄时形成的驻波一样。

在德布罗伊提出这一想法之后，很快就遇到了另一个问题。如果电子以波的形式运行，那能否确定电子在波中的精确位置？德国的物理学家沃纳·海森堡在他的不确定原理中否定了这一可能：

要在电子的运行轨道中查看电子，您必须用波长小于电子波长的光照射它。
这种小波长的光拥有高能量。
电子会吸收该能量。
吸收的能量将改变电子的位置。

我们不可能知道一个电子在原子中的动量和位置。因此，海森堡认为我们不应该将电子视为在核子周围明确的轨道中运行！

在德布罗伊的假设和海森堡的不确定原理基础上，一位名叫埃尔温•薛定谔的奥地利物理学家在1926年为电子推导出一组等式或波函数。根据薛定谔的等式或函数，限定在轨道中运行的电子会形成驻波，您只能描述电子位于某个位置的概率。组成核子周围空间区域的这些可能的分布位置称为“轨道”。可以将这些轨道描述为“电子云”。在最密集的电子云区域找到电子的可能性最大，在最不密集的区域找到电子的可能性最小。

每个电子的波函数可以用三个量子数加以描述：

主量子数（n）——描述能级。
方位量子数（l）——描述电子在其轨道的运动速度（角动量）；与CD转速（rpm）一样。这与轨道的形状相关。
磁量子数（m）——描述在空间中的方向。

后来提出没有两个电子会处于完全相同的状态，因此添加了第四个量子数。此量子数与电子在轨道中运动时旋转的方向相关（也就是顺时针、逆时针），即只能有两个电子共用同一轨道，一个顺时针旋转，另一个逆时针旋转。

在任何能级，轨道均拥有不同的外形和最大数量：

s（锐线系）——球形（最大数量=1）
p（主线系）——哑铃形（最大数量=3）
d（漫线系）——四叶形（最大数量=5）
f（基线系）——六叶形（最大数量=7）

轨道名称源自量子力学正式创立之前的原子光谱特征的名称。每个轨道只能容纳两个电子。此外，轨道还有其特定的填充顺序，通常：

但是，其中存在一些重叠（化学教科书中都有详细介绍）。

最终得到的原子模型称为原子的量子模型。

纳原子的量子模型。

纳有11个电子分布在以下能级中：

一个s轨道——两个电子
一个s轨道——两个电子和三个p轨道（每个轨道两上电子）
一个s轨道——一个电子

现在，量子模型是最能描述整个原子结构现实情况的原子模型。它能够解释许多我们所了解的化学和物理知识。这里有一些例子：

现代的元素周期表（元素按原子序数而不是质量进行排序）。

化学：
- 周期表——表的式样和排列反映了原子中电子的排列情况。
  - 元素有不同的原子序数，质子或电子数会随着电子填充电子层在表格中递增。
  - 表中元素有不同的原子量，质子与中子总数在表格中递增。
  - 行——每行元素拥有相同数量的能级（电子层）。
  - 列——每列中的元素在最外层能级或电子层中有相同的电子数（1至8个）。
- 化学反应——是不同原子之间发生电子的交换（提供、获取或共用电子）。交换就是最外面能级中的电子尝试填充最外电子层（也就是获得原子的最稳定形式）。
物理
- 放射学——核子变化（即衰退）会发射出放射性粒子。
- 核反应堆——分离核子（裂变）
- 原子弹——分离核子（核裂变）或形成核子（核聚变）
- 原子光谱——激活态的电子在改变能级时产生（以光子形式吸收或释放能量）。