此條
目 め 介 かい 紹的
是 ぜ 物理 ぶつり 学 がく 中 ちゅう 的 てき 原子 げんし 。关于计算
机 つくえ 科学 かがく 中 ちゅう 的 てき 原子 げんし 操作 そうさ ,请见「
原子 げんし 操作 そうさ 」。关于昵称为
Atom 的 まと 泰 たい 国男 くにお 歌手 かしゅ ,请见「
查纳坎·拉 ひしげ 塔 とう 瑙敦 」。关于
尊稱 そんしょう 為 ため 原子 げんし 的 てき 人物 じんぶつ 、
孔子 こうし 的 てき 弟子 でし ,请见「
原 はら 宪」。
原子 げんし (英語 えいご :atom )是 ぜ 构成化學 かがく 元素 げんそ 的 てき 普通 ふつう 物 ぶつ 质[ 2] [ 3] 的 てき 最小 さいしょう 单位[ 4] ;原子 げんし 也是化学 かがく 变化中 ちゅう 最小 さいしょう 的 てき 粒子 りゅうし 及元素 げんそ 化学 かがく 性 せい 质的 てき 最小 さいしょう 單位 たんい 。
一粒正原子包含有一粒緻密的原子核 げんしかく 及若干 じゃっかん 圍繞 いじょう 在 ざい 原子核 げんしかく 周圍 しゅうい 帶 たい 負 まけ 電 でん 的 てき 电子 。而反原子 げんし 的 てき 原子核 げんしかく 帶 たい 負 まけ 電 でん ,周圍 しゅうい 的 てき 反 はん 電子 でんし 帶 おび 「正 せい 電 でん 」。正 せい 原子 げんし 的 てき 原子核 げんしかく 由 よし 帶 たい 正 せい 電 でん 的 てき 質 しつ 子 こ 和 わ 電 でん 中性 ちゅうせい 的 てき 中子 なかご 組成 そせい 。反 はん 原子 げんし 的 てき 原子核 げんしかく 中 ちゅう 的 てき 反 はん 質 しつ 子 こ 帶 おび 負 まけ 電 でん ,從 したがえ 而使反 はん 原子 げんし 的 てき 原子核 げんしかく 帶 たい 負 まけ 電 でん 。當 とう 質 しつ 子 こ 數 すう 與 あずか 電子 でんし 數 すう 相 そう 同時 どうじ ,這原子 げんし 就是電 でん 中性 ちゅうせい ,称 しょう 为中性 ちゅうせい 原子 げんし [ 5] (英語 えいご :neutral atom )[ 6] ;否 ひ 則 そく ,就是帶 たい 有正 ありまさ 電荷 でんか 或 ある 者 もの 負 ふ 電荷 でんか 的 てき 离子 。根據 こんきょ 質 しつ 子 こ 和 かず 中子 なかこ 數量 すうりょう 的 てき 不同 ふどう ,原子 げんし 的 てき 類型 るいけい 也不同 ふどう :質 しつ 子 こ 數 すう 決定 けってい 了 りょう 該原子 げんし 屬 ぞく 於哪種 しゅ 元素 げんそ ,而中子 なかご 數 すう 則 のり 確定 かくてい 了 りょう 該原子 げんし 是 ぜ 此元素的 すてき 哪種同位 どうい 素 もと 。
原子 げんし 的 てき 英 えい 语 atom 是 ぜ 從 したがえ 古希 こき 臘語 :ἄτομος (atomos,“不可 ふか 切 きり 分 ぶん 的 てき ”)轉化 てんか 而來。很早以前 いぜん ,希 まれ 腊和 わ 印度 いんど 的 てき 哲學 てつがく 家 か 就提出 ていしゅつ 了 りょう 原子 げんし 的 てき 不可 ふか 切 きり 分 ぶん 的 てき 概念 がいねん 。 17和 わ 18世紀 せいき 時 じ ,化学 かがく 家 か 發現 はつげん 了 りょう 物理 ぶつり 學 がく 的 てき 根據 こんきょ :對 たい 於某些物質 ぶっしつ ,不能 ふのう 通過 つうか 化學 かがく 手段 しゅだん 將 はた 其繼續 けいぞく 的 てき 分解 ぶんかい 。 19世紀 せいき 晚期 ばんき 和 わ 20世紀 せいき 早期 そうき ,物理 ぶつり 学 がく 家 か 發現 はつげん 了 りょう 亞 あ 原子 げんし 粒子 りゅうし 以及原子 げんし 的 てき 內部結構 けっこう ,由 ゆかり 此證明 しょうめい 原子 げんし 並 なみ 不 ふ 是 ぜ 不能 ふのう 進 しん 一 いち 步 ほ 切 きり 分 ぶん 。 量子力学 りょうしりきがく 原理 げんり 能 のう 夠為原子 げんし 提供 ていきょう 很好的 てき 科學 かがく 模型 もけい 。 [ 7] [ 8]
與 あずか 日常 にちじょう 體驗 たいけん 相 しょう 比 ひ ,原子 はらこ 是 ただし 極小 きょくしょう 的 てき 物體 ぶったい ,其質量 りょう 也很微小 びしょう ,以至於只能 のう 以特殊 とくしゅ 儀 ぎ 器 き 才能 さいのう 觀測 かんそく 到 いた 單 たん 粒 つぶ 原子 げんし ,如扫描隧道 すいどう 显微镜 。原子 げんし 的 てき 99.9%的 てき 重量 じゅうりょう 集中 しゅうちゅう 在 ざい 原子核 げんしかく ,[ 9] 其中的 てき 质子和 かず 中子 なかこ 有 ゆう 著 ちょ 相近 すけちか 的 てき 質量 しつりょう 。每 まい 種 たね 元素 げんそ 至 いたり 少 しょう 有 ゆう 一種不穩定的同位素,可 か 以放射 ほうしゃ 性 せい 衰 おとろえ 變 へん 。這直接 ちょくせつ 導 しるべ 致核轉化 てんか ,即 そく 原子核 げんしかく 中 ちゅう 的 てき 中子 なかご 數 すう 或 ある 質 しつ 子 こ 數 すう 發生 はっせい 變化 へんか 。[ 10] 原子 げんし 佔據一 いち 組 くみ 穩定的 てき 能 のう 级 ,或 ある 稱 たたえ 為 ため 轨道 。當 とう 它們吸收 きゅうしゅう 和 わ 放出 ほうしゅつ 中子 なかご 的 てき 時候 じこう ,中子 なかご 也可以在不同 ふどう 能 のう 級 きゅう 之 の 間 あいだ 跳躍 ちょうやく ,此時吸收 きゅうしゅう 或 ある 放出 ほうしゅつ 原子 げんし 的 てき 能 のう 量 りょう 與能 よのう 級 きゅう 之 の 間 あいだ 的 てき 能 のう 量 りょう 差 さ 相等 そうとう 。電子 でんし 決定 けってい 元素 げんそ 的 てき 化學 かがく 特性 とくせい ,並 なみ 且對中子 なかご 的 てき 磁性 じせい 有 ゆう 很大的 てき 影響 えいきょう 。
大 だい 约在两千五 ご 百 ひゃく 年 ねん 前 まえ ,希 まれ 腊哲学 てつがく 家 か 对物质的组成问题争 そう 论不休 ふきゅう 。原子 げんし 派 は 认为物 ぶつ 质在无数次 じ 分割 ぶんかつ 之 の 后 きさき ,最 さい 终会小 しょう 到 いた 无法分割 ぶんかつ 。原子 げんし (atom)一词源自希腊语,意思 いし 是 ぜ “不可 ふか 分割 ぶんかつ ”。在 ざい 1803年 ねん 到 いた 1807年 ねん 之 の 间,英国 えいこく 化学 かがく 家 か 道 みち 尔顿 发展了 りょう 这些观点并将它用在 ざい 它的原子 げんし 学 がく 说中。他 た 相 しょう 信 しん 原子 げんし 既 すんで 不能 ふのう 创造也不能 ふのう 消 しょう 灭。任 にん 一 いち 元素 げんそ 所 ところ 含的原子 はらこ 都 と 一 いち 样。[來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ]
关于物 もの 质是 ぜ 由 ゆかり 离散 单元组成且能任意 にんい 分割 ぶんかつ 的 てき 概念 がいねん 流 りゅう 传了几千 せん 年 ねん ,但 ただし 这些想 そう 法 ほう 只 ただ 是 ぜ 基 もと 于抽象 ちゅうしょう 的 てき 、哲学 てつがく 的 てき 推理 すいり ,而非实验 和 かず 实证观察。随 ずい 着 ぎ 时间 的 てき 推移 すいい 以及文化 ぶんか 及学派 は 的 てき 转变,哲学 てつがく 上 じょう 原子 げんし 的 てき 性 せい 质也有 ゆう 着 ぎ 很大的 てき 改 あらため 变而这种改 あらため 变往往还带有一 いち 些精神 せいしん 因 いん 素 もと 。尽 つき 管 かん 如此,对于原子 げんし 的 てき 基本 きほん 概念 がいねん 在 ざい 数 すう 千年后仍然有化学家采用,因 いん 为它能 のう 够很简洁阐述一些化学界的新发现。[ 11]
原子 げんし 论 (英語 えいご :atomism ,来 き 自 じ 古希 こき 腊 语 ἄτομον,atomos,含义为“不可 ふか 分割 ぶんかつ ”[ 12] )是 ぜ 在 ざい 一些古代传统中发展出的一种自然哲学[來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ] 。原子 げんし 论者将 はた 自然 しぜん 世界 せかい 理 り 论化为由两基本部 ほんぶ 分 ぶん 所 しょ 构成:不可 ふか 分割 ぶんかつ 的 てき 原子 げんし 和 わ 空 そら 无的虚空 こくう (void)[來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ] 。原子 げんし 论的创始人 じん 是 ぜ 古希 こき 腊人留 とめ 基 もと 伯 はく ,他 た 是 ぜ 德 とく 谟克利 り 特 とく 的 てき 老 ろう 师。古代 こだい 学者 がくしゃ 在 ざい 论及原子 げんし 论时,通常 つうじょう 是 これ 把 わ 他 た 们俩人的 じんてき 学 がく 说混在 こんざい 一 いち 起 おこり 的 てき 。留 とめ 基 もと 伯 はく 的 てき 学 がく 说由他 た 的 てき 学生 がくせい 德 とく 谟克利 り 特 とく 发展和 かず 完 かん 善 ぜん ,因 いん 此公认德 とく 谟克利 り 特 とく 为原子 げんし 论的主要 しゅよう 代表 だいひょう [ 13] 。
原子 げんし 论的主要 しゅよう 内容 ないよう 是 ぜ :宇宙 うちゅう 的 てき 本原 もとはら 是 ただし 原子 はらこ 和 かず 虚空 こくう ,原子 げんし 不可 ふか 构造且永恒 つね 不 ふ 变。原子 はらこ 有 ゆう 两种属性 ぞくせい :大 だい 小和 おわ 形状 けいじょう 。它们在 ざい 数量 すうりょう 上 じょう 是 ぜ 无限的 てき 。原子 げんし 按一定 いってい 的 てき 形状 けいじょう 、次序 じじょ 和 わ 位置 いち ,在 ざい 空 そら 无(empty)中通 なかとおり 过移动和碰撞,结合和 わ 分 ぶん 离,与 あずか 一粒或以上其他原子相钩结而形成聚簇(cluster)。不同 ふどう 形状 けいじょう 、排列 はいれつ 和 わ 位置 いち 的 てき 聚簇构成世界 せかい 上 じょう 各 かく 种宏观物质(substance)。德 とく 谟克利 り 特 とく 认为,运用上述 じょうじゅつ 原子 げんし 论的思想 しそう ,就可以解释世间万物为什么会有重量、形状 けいじょう 、尺寸 しゃくすん 等 とう 客 きゃく 观特性 せい ;不 ふ 仅如此,他 た 还认为,另一些特性 せい ,比 ひ 如气味 ,只 ただ 有 ゆう 当 とう 物体 ぶったい 的 てき 原子 げんし 和人 わじん 鼻 はな 互相作用 さよう 时才显示出来 でき 。
对原子 こ 概念的 がいねんてき 记述可 か 以上 いじょう 溯 さかのぼ 到 いた 古 こ 印度 いんど 和 かず 古希 こき 腊。有人 ゆうじん 将 はた 印度 いんど 的 てき 耆那教 きょう 的 てき 原子 げんし 论认定 てい 为开创者大雄 たいゆう 在 ざい 公 おおやけ 元 もと 前 まえ 6世 せい 纪提出 ていしゅつ ,并将与 あずか 其同时代的 てき 彼 かれ 浮陀伽 とぎ 旃延和 わ 顺世派 は 先 さき 驱阿 おもね 夷 えびす 陀翅舍 しゃ 钦婆罗的 てき 元素 げんそ 思想 しそう 也称为原子 げんし 论[來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ] 。正 せい 理 り 派 は 和 わ 胜论派 は 后 きさき 来 らい 发展出 で 了 りょう 原子 げんし 如何 いか 组合成 ごうせい 更 さら 复杂物体 ぶったい 的 てき 理 り 论[來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ] 。在 ざい 西方 せいほう ,对原子 げんし 的 てき 记述出 で 现在公 こう 元 もと 前 まえ 5世 せい 纪留 とめ 基 もと 伯 はく 和 わ 德 とく 谟克利 り 特 とく 的 てき 著作 ちょさく 中 ちゅう 。对于印度 いんど 文化 ぶんか 影 かげ 响希 まれ 腊 还是反 はん 之 の ,亦 また 或 ある 二者独立演化是有争议[來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ] 。
直 ちょく 到 いた 化学 かがく 作 さく 为一门科学开始发展的时候,对原子 げんし 才 ざい 有 ゆう 更 さら 进一 いち 步 ほ 的 てき 理解 りかい 。1661年 ねん ,自然 しぜん 哲学 てつがく 家 か 罗伯特 とく ·波 は 义耳 出版 しゅっぱん 了 りょう 《怀疑的 てき 化学 かがく 家 か 》一 いち 书,书中他 た 声 こえ 称 しょう 物 ぶつ 质是由 よし 不同 ふどう 的 てき “微粒 びりゅう ”或 ある 原子 げんし 自由 じゆう 组合构成的 てき ,而并不 ふ 是 ぜ 由 よし 诸如气、土 ど 、火 ひ 、水 みず 等 とう 基本 きほん 元素 げんそ 构成。[ 14] 1789年 ねん ,既 すんで 是 ぜ 法 ほう 国 こく 贵族,又 また 是 ぜ 科学 かがく 研究 けんきゅう 者 しゃ 的 てき 拉 ひしげ 瓦 かわら 锡定 てい 义了元素 げんそ 一 いち 词,从此,元素 げんそ 就用来 らい 表示 ひょうじ 化学 かがく 变化中 ちゅう 的 てき 最小 さいしょう 的 てき 单位。[ 15]
1803年 ねん 道 みち 尔顿 创立科学 かがく 原子 げんし 论,并在1803年 ねん 12月与 あずか 1804年 ねん 1月 がつ 在 ざい 英国 えいこく 皇 すめらぎ 家 か 学会 がっかい 作 さく 关于原子 げんし 论的演 えんじ 讲,其中全面 ぜんめん 阐释了 りょう 他 た 的 てき 原子 げんし 论思想 しそう 。其要点 てん 为:1.化学 かがく 元素 げんそ 均 ひとし 由 よし 不可 ふか 再 さい 分 ぶん 的 てき 微粒 びりゅう 组成。这种微粒 びりゅう 称 しょう 为原子 げんし 。原子 げんし 在 ざい 一切化学变化中均保持其不可再分性。2.同 どう 一 いち 元素 げんそ 的 てき 所有 しょゆう 原子 げんし ,在 ざい 质量和 わ 性 せい 质上都 と 相 しょう 同 どう ;不同 ふどう 元素 げんそ 的 てき 原子 げんし ,在 ざい 质量和 わ 性 せい 质上都 と 不 ふ 相 あい 同 どう 。3.不同 ふどう 的 てき 元素 げんそ 化合 かごう 时,这些元素 げんそ 的 てき 原子 げんし 按简单整数 すう 比 ひ 结合成 ごうせい 化合 かごう 物 ぶつ 。尽 つき 管 かん 从现在 ざい 的 てき 观点来 らい 看 み ,道 みち 尔顿的 てき 观点非常 ひじょう 简洁有力 ゆうりょく (当然 とうぜん 存在 そんざい 着 ぎ 错误)但 ただし 是 ぜ 由 よし 于缺乏 けつぼう 实验证据和 わ 表 ひょう 述 じゅつ 不 ふ 力 ちから ,这一观点直到20世 せい 纪初才 ざい 獲 え 广泛接受 せつじゅ 。
道 みち 尔顿《化学 かがく 哲学 てつがく 新体 しんたい 系 けい 》一书中描述的各种原子和分子。1808年 ねん
道 みち 尔顿的 てき 理想 りそう 没 ぼつ 有 ゆう 涉 わたる 及原子 げんし 内部 ないぶ 结构。随 ずい 后 きさき ,在 ざい 1897年 ねん ,发现了 りょう 第 だい 一 いち 粒 つぶ 亚原子 げんし 粒子 りゅうし ──电子 。1911年 ねん ,新西 しんにし 兰物理学 りがく 家 か 卢瑟福 ぶく 发现每 ごと 一粒原子都含有一粒比重很大并且带正电的原子核,他 た 隨 ずい 後 ご 在 ざい 1919年 ねん 發現 はつげん 了 りょう 原子核 げんしかく 內部帶 たい 正 せい 電 でん 的 てき 質 しつ 子 こ 。1932年 ねん 英國 えいこく 物理 ぶつり 學 がく 家 か 查德威 い 克 かつ 发现不 ふ 帶電 たいでん 的 てき 中子 なかご 。现代化学 かがく 认为原子 はらこ 由 ゆかり 原子核 げんしかく 及绕核 かく 旋转的 てき 电子构成。原子核 げんしかく 中 ちゅう 含有 がんゆう 许多质子 和 わ 中子 なかご 。质子和 かず 中子 なかこ 要 よう 比 ひ 电子重 おも 約 やく 1836倍 ばい 。质子的 てき 带电量 りょう 是 ぜ 一单位正电荷,电子是 ぜ 一单位负电荷,中子 なかご 不 ふ 带电。
1803年 ねん ,英 えい 语教师及自然 しぜん 哲学 てつがく 家 か 約 やく 翰·道 どう 爾 しか 頓 ひたぶる 用 よう 原子 げんし 的 てき 概念 がいねん 解 かい 释了为什么不同 どう 元素 げんそ 总是呈 てい 整数 せいすう 倍 ばい 反 はん 应,即 そく 倍 ばい 比 ひ 定律 ていりつ ;也解释了为什么某些气体 からだ 比 ひ 另外一些更容易溶于水。他 た 提出 ていしゅつ 每 ごと 一种元素只包含唯一一种原子,而这些原子 げんし 相互 そうご 结合起 おこり 来 らい 就形成 けいせい 了 りょう 化合 かごう 物 ぶつ 。[ 16] [ 17]
1827年 ねん ,英國 えいこく 植物 しょくぶつ 學 がく 家 か 羅 ら 伯 はく 特 とく ·布 ぬの 朗 ろう 在 ざい 使用 しよう 显微镜 观察水面 すいめん 上 じょう 花粉 かふん 的 てき 时候,发现它们的 てき 运动不 ふ 规则,进一步证明了微粒学说。后 きさき 来 らい ,这现象 ぞう 称 しょう 为布 ぬの 朗 ろう 运动 。德 とく 绍儿克 かつ 思 おもえ 在 ざい 1877年 ねん 提出 ていしゅつ 这种现象是 ぜ 由 よし 于水分子 ぶんし 的 てき 热运动而导致的 てき 。1905年 ねん ,爱因斯坦 提出 ていしゅつ 了 りょう 第 だい 一 いち 个数学 がく 分析 ぶんせき 的 てき 方法 ほうほう ,证明了 りょう 这猜想 そう 。[ 18] [ 19] [ 20]
在 ざい 关于阴极射 しゃ 线 的 てき 工作 こうさく 中 ちゅう ,物理 ぶつり 学 がく 家 か 約 やく 瑟夫·汤姆孙 发现了 りょう 电子以及它的亚原子 げんし 特性 とくせい ,粉碎 ふんさい 了 りょう 一直以来认为原子不可再分的设想。[ 21] 汤姆孙认为电子 こ 是 ぜ 平均 へいきん 分布 ぶんぷ 在 ざい 整 せい 粒 つぶ 原子 げんし 上 じょう ,就如同 どう 散布 さんぷ 在 ざい 均 ひとし 匀的正 せい 电荷海洋 かいよう 中 ちゅう ,它们的 てき 负电荷 に 与那 よな 些正电荷相互 そうご 抵消。这也叫 さけべ 做梅子 うめこ 布 ぬの 丁 ひのと 模型 もけい 。
然 しか 而,在 ざい 1909年 ねん ,在 ざい 物理 ぶつり 学 がく 家 か 卢瑟福 ぶく 的 てき 指 ゆび 导下,研究 けんきゅう 者 しゃ 们用氦离子 こ 轰击金箔 きんぱく 。他 た 们意外的 がいてき 发现有 ゆう 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 ぶく 根 ね 据 すえ 这金箔 きんぱく 实验的 てき 结果提出 ていしゅつ 原子 げんし 中大 ちゅうだい 部分 ぶぶん 质量和正 かずまさ 电荷都 と 集中 しゅうちゅう 在位 ざいい 于原子 げんし 中心 ちゅうしん 的 てき 原子核 げんしかく 当 とう 中 ちゅう ,电子则像行 ぎょう 星 ほし 围绕太 ふとし 阳一样围绕着原子核 げんしかく 。带正电的氦离子 こ 在 ざい 穿 ほじ 越 えつ 原子核 げんしかく 附近 ふきん 时,就会大 だい 角度 かくど 被 ひ 反射 はんしゃ 。[ 22]
1913年 ねん ,放射 ほうしゃ 化学 かがく 家 か 弗 どる 雷 かみなり 德 とく 里 さと 克 かつ ·索 さく 迪 すすむ 在 ざい 放射 ほうしゃ 性 せい 衰 おとろえ 变产物的 ぶってき 实验中 ちゅう 发现元素 げんそ 周期 しゅうき 表 ひょう 中 ちゅう 各 かく 位置 いち 不 ふ 只 ただ 有 ゆう 一 いち 种原子 げんし 。[ 23] 玛格丽特·陶 とう 德 いさお 创造了 りょう 同位 どうい 素 もと 一词来表示同一种元素不同种类的原子。在 ざい 研究 けんきゅう 离子气体的 てき 过程中 ちゅう ,汤姆孙发明 あかり 了 りょう 一 いち 种新技 わざ 术,可 か 以用来 らい 分 ぶん 离不同 どう 同位 どうい 素 もと ,最 さい 终导致了稳定同位 どうい 素的 すてき 发现。[ 24]
氢原子 げんし 的 てき 玻尔模型 もけい ,展示 てんじ 了 りょう 一 いち 粒 つぶ 电子在 ざい 两條固定 こてい 轨道之 の 间跃迁并释放出 ほうしゅつ 一 いち 粒 つぶ 特定 とくてい 频率的 てき 光子 こうし 。
与 あずか 此同时,物理 ぶつり 学 がく 家 か 玻尔 重 じゅう 新 しん 审视了 りょう 卢瑟福 ぶく 的 てき 模型 もけい ,他 た 认为电子应该位 い 于确定 じょう 的 てき 轨道之 の 中 なか ,并且能 のう 够在不同 ふどう 轨道之 の 间跳跃,而不是 ぜ 像 ぞう 先 さき 前 ぜん 认为那 な 样可以自由 じゆう 的 てき 向 むこう 内 ない 或 ある 向 こう 外 そと 移 うつり 动。电子在 ざい 这些固定 こてい 轨道间跳跃时,必须吸收 きゅうしゅう 或 ある 者 もの 释放特定 とくてい 的 てき 能 のう 量 りょう 。[ 25] 当 とう 热源产生的 てき 一 いち 束 たば 光 ひかり 穿 ほじ 过棱镜 时,能 のう 够产生 せい 多彩 たさい 的 てき 光 ひかり 谱 。应用轨道跃迁的 てき 理 り 论就能 のう 够很好 このみ 的 てき 解 かい 释光谱中存在 そんざい 的 てき 位置 いち 不 ふ 变的线条 。[ 26]
1916年 ねん ,吉 よし 爾 なんじ 伯 はく 特 とく ·路 ろ 易 えき 斯 发现化学 かがく 键的 てき 本 ほん 质就是 ぜ 两粒原子 げんし 间电子 こ 的 てき 相互 そうご 作用 さよう 。[ 27] 众所周 しゅう 之 の ,元素 げんそ 的 てき 化学 かがく 性 せい 质 按照周期 しゅうき 律 りつ 反 はん 复的循环。[ 28] 1919年 ねん ,美国 びくに 化学 かがく 家 か 歐文 おうぶん ·朗 ろう 繆爾提出 ていしゅつ 原子 げんし 中 ちゅう 的 てき 电子以某种性质相互 そうご 连接或 ある 者 もの 说相互聚集 しゅう 。一组电子占有一層特定的电子层 。[ 29]
1926年 ねん ,薛定谔 用 よう 路 みち 易 えき ·德 とく 布 ぬの 罗意 于1924年 ねん 提出 ていしゅつ 的 てき 波 なみ 粒 つぶ 二 に 象 ぞう 性 せい 假 かり 说,建立 こんりゅう 了 りょう 原子 げんし 的 てき 数学 すうがく 模型 もけい ,用 よう 来 らい 将 はた 电子描述为三 さん 维波形 はけい 。使用 しよう 波形 はけい 来 らい 描述电子的 てき 一个直接后果就是在数学上不能够同时得到位置 いち 和 わ 动量 的 てき 精 せい 确值,1926年 ねん ,海 うみ 森 もり 堡建立 こんりゅう 了 りょう 相 しょう 关的方 かた 程 ほど ,这也就是后 きさき 来 らい 著名 ちょめい 的 てき 不 ふ 确定性 せい 原理 げんり 。这概念 がいねん 描述的 てき 是 ぜ ,对于测量的 てき 某 ぼう 个位置 いち ,只 ただ 能 のう 得 え 到 いた 一个不确定的动量范围,反 たん 之 の 亦 また 然 しか 。尽 つき 管 かん 这模型 がた 很难想 そう 象 ぞう ,但 ただし 它能够解释一些以前观测到却不能解释的原子的性质,例 れい 如比氢更大 だい 的 てき 原子 げんし 的 てき 谱线。因 よし 此,人 にん 们不再 さい 使用 しよう 原子 げんし 的 てき 行 ぎょう 星 ほし 模型 もけい ,而更倾向于将原子 げんし 轨道 视为电子存在 そんざい 概 がい 率 りつ 的 てき 区域 くいき 。[ 30] [ 31]
质谱仪简易 えき 原理 げんり 图
发明质谱 使 つかい 得 とく 科学 かがく 家 か 可 か 以直接 ちょくせつ 测量原子 げんし 的 てき 准 じゅん 确质量 りょう 。该设备使用 しよう 磁体弯曲一 いち 束 たば 离子,而偏转量取 と 决于原子 げんし 的 てき 质荷比 ひ 。弗 どる 朗 ろう 西 にし 斯·阿 おもね 斯顿使用 しよう 质谱证实了 りょう 同位 どうい 素 もと 有 ゆう 着 ぎ 不同 ふどう 的 てき 质量,并且同位 どうい 素 もと 间的质量差 さ 都 と 为整数 すう ,称 しょう 为整数 せいすう 规则 。[ 32] 1932年 ねん ,詹姆斯·查德威 い 克 かつ 发现了 りょう 中子 なかご ,解 かい 释了这问题。中子 なかご 是 ぜ 中性 ちゅうせい 的 てき 粒子 りゅうし ,质量与 あずか 质子相 しょう 仿。同位 どうい 素 もと 则重新定 しんじょう 义为质子数 すう 相 そう 同 どう 而中子 なかご 数 すう 不同 ふどう 的 てき 元素 げんそ 。[ 33]
1950年代 ねんだい ,随 ずい 着 ぎ 粒子 りゅうし 加速器 かそくき 及粒子 りゅうし 探 さがせ 测器的 てき 发展,科学 かがく 家 か 们可以研究 けんきゅう 高 だか 能 のう 粒子 りゅうし 间的碰撞。[ 34] 他 た 们发现中子 なかご 和 わ 质子是 ぜ 强 つよ 子 こ 的 てき 一 いち 种,由 よし 更 さら 小 しょう 的 てき 夸克 微粒 びりゅう 构成。核 かく 物理 ぶつり 的 てき 标准模型 もけい 也随之 の 发展,能 のう 够成功 せいこう 的 てき 在 ざい 亚原子 こ 水平 すいへい 解 かい 释整粒 つぶ 原子核 げんしかく 以及亚原子 げんし 粒子 りゅうし 之 の 间的相互 そうご 作用 さよう 。[ 35]
1985年 ねん 左右 さゆう ,朱 しゅ 棣文 及其同 どう 事 こと 在 ざい 贝尔实验室 しつ 开发了 りょう 一种新技术,能 のう 够使用 しよう 激 げき 光 こう 来 らい 冷却 れいきゃく 原子 げんし 。威 い 廉 かど ·丹 たん 尼 に 尔·菲利普 ひろし 斯 团队设法将 はた 钠原子 げんし 置 おけ 于一个磁阱 中 なか 。这两个技术加上 うえ 由 ゆかり 克 かつ 洛 らく 德 とく ·科 か 昂 のぼる -唐 から 努 つとむ 德 とく 日 び 团队基 もと 于多 た 普 ふ 勒效应 开发的 てき 一 いち 种方法 ほう ,可 か 以将少量 しょうりょう 的 てき 原子 げんし 冷却 れいきゃく 至 いたり 微 ほろ 开尔文 ぶん 的 てき 温度 おんど 范围,这样就可以很高 だか 精度 せいど 研究 けんきゅう 原子 げんし ,这也直接 ちょくせつ 导致玻斯-爱因斯坦凝聚 ぎょうしゅう 的 てき 发现。[ 36]
历史上 しじょう 认为单一原子 げんし 过于微小 びしょう ,不能 ふのう 以科学 かがく 研究 けんきゅう 。最近 さいきん ,科学 かがく 家 か 已 やめ 经成功 せいこう 用 よう 单一金属原子与一粒有机配 はい 体 たい 连接形成 けいせい 单电子 こ 晶 あきら 体 からだ 管 かん 。[ 37] 一 いち 些实验用激 げき 光 こう 冷却 れいきゃく 的 てき 方法 ほうほう 将 はた 原子 げんし 减速并捕获,这些实验能 のう 够提升 ます 對物 たいぶつ 质的認知 にんち 。[ 38]
原子 はらこ 是 ただし 由 よし 带正 せい 电荷的 てき 原子核 げんしかく 和 かず 带负电荷 に 的 てき 电子 构成。原子 げんし 核 かく 所 ところ 带的正 ただし 电荷数 すう (即 そく 核 かく 电荷数 すう )与原 よはら 子 こ 核 かく 外 がい 电子所 しょ 带的负电子 こ 数 すう 相等 そうとう ,故 こ 原子 げんし 呈 てい 电中性 せい 。原子 げんし 可 か 以构成 なり 分子 ぶんし ,也可以形成 けいせい 离子 ,也可以直接 ちょくせつ 构成物 もの 质 。
构成原子 げんし 的 てき 三 さん 种粒子 こ (质子、中子 なかご 、电子)的 てき 基本 きほん 数 すう 据 すえ :
原子 げんし 的 てき 组成
原子核 げんしかく
电子
质子
中子 なかご
电性和 わ 电量
1粒 つぶ 质子带1单位正 せい 电荷
电中性 せい
1粒 つぶ 电子带1单位负电荷 に
质量(kg)
1.6726
×
10
−
27
{\displaystyle 1.6726\times 10^{-27}}
1.6749
×
10
−
27
{\displaystyle 1.6749\times 10^{-27}}
9.109
×
10
−
31
{\displaystyle 9.109\times 10^{-31}}
相 あい 对原子 げんし 质量
1.007
1.008
1
1836
{\displaystyle {\frac {1}{1836}}}
尽 つき 管 かん 原子 げんし 的 てき 英文 えいぶん 名称 めいしょう (atom)本意 ほんい 是 ぜ 不能 ふのう 繼續 けいぞく 分割 ぶんかつ 的 てき 最小 さいしょう 粒子 りゅうし ,但 ただし 是 ぜ 在 ざい 现代科学 かがく 领域,原子 げんし 实际上 じょう 包含 ほうがん 了 りょう 很多不同 ふどう 的 てき 亚原子 げんし 粒子 りゅうし :电子 ,质子 和 わ 中子 なかご 。氢-1 原子 はらこ 和 かず 带一粒 つぶ 正 せい 电荷的 てき 氢正离子 例外 れいがい ,前者 ぜんしゃ 没 ぼつ 有 ゆう 中子 なかご ,后 きさき 者 しゃ 沒 ぼつ 有 ゆう 电子。
质子有 ゆう 一 いち 粒 つぶ 正 せい 电荷,质量是 ぜ 电子质量的 てき 1836倍 ばい ,为
1.6726
×
10
−
27
{\displaystyle 1.6726\times 10^{-27}}
公 おおやけ 斤 きん ,然 しか 而部分 ぶぶん 质量可 か 以转化 か 为原子 げんし 结合能 のう 。中子 なかご 不 ふ 带电荷 に ,自由 じゆう 中子 なかご 的 てき 质量是 ぜ 电子质量的 てき 1839倍 ばい ,为
1.6929
×
10
−
27
{\displaystyle 1.6929\times 10^{-27}}
公 おおやけ 斤 きん 。[ 39] 中子 なかご 和 わ 质子的 てき 尺寸 しゃくすん 相 しょう 仿,均 ひとし 在 ざい
2.5
×
10
−
15
{\displaystyle 2.5\times 10^{-15}}
m这一数量 すうりょう 级,但 ただし 它们的 てき 表面 ひょうめん 并没能 のう 精 せい 确定义。[ 40]
在 ざい 物理 ぶつり 学 がく 标准模型 もけい 理 り 论 中 なか ,质子和 わ 中子 なかご 都 と 由 よし 名 めい 叫 さけべ 夸克 的 てき 基本 きほん 粒子 りゅうし 构成。夸克是 ぜ 费米子 こ 的 てき 一 いち 种,也是构成物 ぶつ 质的两種基本 きほん 组分之 の 一 いち 。另一基本 きほん 组份称 しょう 轻子 ,电子就是轻子的 てき 一 いち 种。夸克共有 きょうゆう 六 ろく 种,每 まい 一种都带有分数的电荷,不 ふ 是 ぜ
+
2
3
{\textstyle +{\frac {2}{3}}}
就是
−
1
3
{\textstyle -{\frac {1}{3}}}
。质子就是由 よし 两粒上 うえ 夸克和 わ 一粒下夸克组成,而中子 なかご 则是由 よし 一粒上夸克和两粒下夸克组成。这区别就解 かい 释了为什么中子 なかご 和 わ 质子电荷和 わ 质量均 ひとし 有 ゆう 差 さ 别。夸克由 ゆかり 强 つよ 相互 そうご 作用 さよう 结合在 ざい 一 いち 起 おこり 的 てき ,由 ゆかり 胶子 作中 さくちゅう 介 かい 。胶子是 ぜ 规范玻色子 こ 的 てき 一 いち 员,是 ぜ 一种用来传递力 ちから 的 てき 基本 きほん 粒子 りゅうし 。[ 41] [ 42]
不同 ふどう 同位 どうい 素 もと 将 はた 核 かく 子 こ 连在一起所需的能量。
原子核 げんしかく 是 ぜ 原子 げんし 中 ちゅう 所有 しょゆう 的 てき 质子和 かず 中子 なかこ 构成的 てき ,结合起 おこり 来 らい 很小,它们一起也可以称为核 かく 子 こ 。质子带正电荷,中子 なかご 不 ふ 显电性 せい ,故 こ 原子核 げんしかく 的 てき 正 せい 电荷由 よし 质子数 すう 决定。原子核 げんしかく 的 てき 半径 はんけい 约等于
1.07
⋅
A
3
{\displaystyle 1.07\cdot {\sqrt[{3}]{A}}}
fm 其中
A
{\displaystyle A}
是 ぜ 核 かく 子 こ 的 てき 总数。[ 43] 原子 げんし 半径 はんけい 的 てき 数量 すうりょう 级大约是105 fm,因 いん 此原子核 げんしかく 半径 はんけい 远远小 しょう 于原子 げんし 半径 はんけい 。能 のう 在 ざい 短 たん 距离上起 かみおこし 作用 さよう 的 てき 残留 ざんりゅう 强力 きょうりょく 將 はた 核 かく 子 こ 束 たば 缚在一 いち 起 おこり 。当 とう 距离小 しょう 于2.5fm的 てき 时候,强力 きょうりょく 远远大 だい 于静 せい 电力 ,因 いん 此它能 のう 够克服 こくふく 带正电的质子间的相互 そうご 排斥 はいせき 。[ 44]
同 どう 种元素的 すてき 原子 げんし 带有相 しょう 同 どう 数量 すうりょう 的 てき 质子,这数也称原子 げんし 序 じょ 数 すう 。而对于某种特定 とくてい 的 てき 元素 げんそ ,中子 なかご 数 すう 是 ぜ 可 か 以变化 か 的 てき ,这也就决定 てい 了 りょう 该原子 げんし 是 ぜ 这种元素 げんそ 的 てき 哪一种同位 い 素 もと 。质子数量 すうりょう 和 かず 中子 なかこ 数量 すうりょう 决定了 りょう 该原子 げんし 是 ぜ 这种元素 げんそ 的 てき 哪一种核 かく 素 もと 。中子 なかご 数 すう 决定了 りょう 该原子 げんし 的 てき 稳定程度 ていど ,一些同位素能自发放射 ほうしゃ 性 せい 衰 おとろえ 变 。[ 45]
中子 なかご 和 わ 质子都 と 是 ぜ 费米子 こ 的 てき 一 いち 种,根 ね 据 すえ 量子力学 りょうしりきがく 中 なか 的 てき 泡 あわ 利 り 不 ふ 相 あい 容 よう 原理 げんり ,不可能 ふかのう 有 ゆう 完全 かんぜん 相 しょう 同 どう 的 てき 两粒费米子 よなご 同 どう 时拥有 ゆう 一样量子物理态。因 よし 此,原子核 げんしかく 每 ごと 粒 つぶ 质子都 と 占 うらない 用 よう 不同 ふどう 的 てき 能 のう 级,中子 なかご 的 てき 情 じょう 况也与此相同 どう 。不 ふ 过泡利 り 不 ふ 相 あい 容 よう 原理 げんり 并没有 ゆう 禁止 きんし 质子和 かず 中子 なかこ 有 ゆう 相 しょう 同 どう 量子 りょうし 态。[ 46]
核 かく 聚变示 しめせ 意 い 图,两粒质子聚变生成 せいせい 有 ゆう 一粒质子和一粒中子的氘原子核,并放出 ほうしゅつ 正 せい 电子 (电子的 てき 反物 たんもの 质 )以及一 いち 粒 つぶ 电子中 ちゅう 微 ほろ 子 こ 。
如果原子核 げんしかく 的 てき 质子数 すう 和 わ 中子 なかご 数 すう 不 ふ 相 あい 同 どう ,该原子核 げんしかく 很易放射 ほうしゃ 性 せい 衰 おとろえ 变到更 さら 低 ひく 的 てき 能 のう 级,拉 ひしげ 近 きん 质子数 すう 和 わ 中子 なかご 数 すう 。因 よし 此,质子数 すう 和 わ 中子 なかご 数 すう 相 そう 同 どう 或 ある 很相近 ちか 的 てき 原子 げんし 更 さら 加 か 不易 ふえき 衰 おとろえ 变。然 しか 而,当 とう 原子 げんし 序 じょ 数 すう 逐渐增加 ぞうか 时,质子间排斥力 せきりょく 增强 ぞうきょう ,需要 じゅよう 更 さら 多 た 中子 なかご 來 らい 稳定原子核 げんしかく ,所 しょ 以对上述 じょうじゅつ 趋势有 ゆう 所 しょ 影 かげ 响。原子 げんし 序 じょ 数 すう 大 だい 于20时,就找不 ふ 到 いた 质子数 すう 与 あずか 中子 なかご 数 すう 相等 そうとう 而又稳定的 てき 原子核 げんしかく 了 りょう 。随 ずい 着 ぎ Z增加 ぞうか ,中子 なかご 和 わ 质子的 てき 比例 ひれい 逐渐趋于1.5。[ 46]
原子核 げんしかく 中 ちゅう 的 てき 质子数 すう 和 かず 中子 なかこ 数也 かずや 是 ぜ 可 か 以变化 か 的 てき ,不 ふ 过因为它们之间的力 りょく 很强,所以 ゆえん 需要 じゅよう 很高的 てき 能 のう 量 りょう ,当 とう 多 た 粒 つぶ 粒子 りゅうし 聚集形成 けいせい 更 さら 重 じゅう 的 てき 原子核 げんしかく 时,就会发生核 かく 聚变 ,例 れい 如两粒 つぶ 核 かく 之 の 间的高 だか 能 のう 碰撞。在 ざい 太 ふとし 阳的核心 かくしん ,质子需要 じゅよう 3-10KeV的 てき 能 のう 量 りょう 才能 さいのう 够克服 こくふく 它们之 の 间的相互 そうご 排斥 はいせき ,也就是 ぜ 库仑障壁 しょうへき ,进而融合 ゆうごう 起 おこり 来 らい 形成 けいせい 新 しん 的 てき 核 かく 。[ 47] 与 あずか 此相反 あいはん 的 てき 过程是 ぜ 核 かく 裂 きれ 变,在 ざい 核 かく 裂 きれ 变中 ちゅう ,一个核通常是经过放射性衰变,分裂 ぶんれつ 成 なり 为两粒 つぶ 更 さら 小 しょう 的 てき 核 かく 。使用 しよう 高 だか 能 のう 的 てき 亚原子 げんし 粒子 りゅうし 或 ある 光子 こうし 轰击也能够改变原子核 げんしかく 。如果在 ざい 过程中 ちゅう ,原子核 げんしかく 的 てき 质子数 すう 变了,此原子 げんし 就变成 なり 另一种元素的 すてき 原子 げんし 。[ 48] [ 49]
如果核 かく 聚变后 きさき 产生的 てき 原子核 げんしかく 质量小 しょう 于聚变前原子 げんし 质量的 てき 总和,那 な 么根据 すえ 爱因斯坦的 てき 质能方 かた 程 ほど ,质量的 てき 差 さ 就以能 のう 量 りょう 形式 けいしき 释放出來 でき 。这差别实际是原子核 げんしかく 之 の 间的结合能 のう 。[ 50]
对于两粒原子 げんし 序 じょ 数 すう 在 ざい 铁 或 ある 镍 之 これ 前 まえ 的 てき 原子核 げんしかく 来 らい 说,它们之 の 间的核 かく 聚变是 ぜ 放 ひ 热过程 ほど ,也就是 ぜ 说过程 ほど 释放的 てき 能 のう 量 りょう 大 だい 于将它们连在一 いち 起 おこり 的 てき 能 のう 量 りょう 。[ 51] 正 せい 是 ぜ 因 いん 为如此,才 さい 确保了 りょう 恒星 こうせい 中 ちゅう 的 てき 核 かく 聚变能 のう 够自我 わが 维持。对于更 さら 重 じゅう 一些的原子来说,结合能 のう 开始减少,也就是 ぜ 说它们的核 かく 聚变会 かい 是 ぜ 吸热过程 。因 よし 此,这些更 さら 重 じゅう 的 てき 原子 げんし 不能 ふのう 以核聚变产能,也就不能 ふのう 够维持 じ 恒星 こうせい 的 てき 流体 りゅうたい 静 せい 力 りょく 平衡 へいこう 。[ 46]
势阱显示了 りょう 要 よう 到 いた 每 まい 一 いち 个位置 いち x 所 ところ 需要 じゅよう 的 てき 最低 さいてい 能 のう 量 りょう
V
(
x
)
{\displaystyle V(x)}
。如果粒子 りゅうし 的 てき 能 のう 量 りょう 为
E
{\displaystyle E}
,它就限 げん 制 せい 在 ざい
x
1
{\displaystyle x_{1}}
和 わ
x
2
{\displaystyle x_{2}}
间。
在原 ありわら 子中 こなか ,电子和 わ 质子以电磁力 りょく 相互 そうご 吸引 きゅういん ,也正是 ぜ 这道力 りょく 将 はた 电子束 たば 缚在环绕着 ぎ 原子核 げんしかく 的 てき 静 せい 电位 くらい 势阱中 なか ,要 よう 从这势阱 中 ちゅう 逃逸则需要 よう 外部 がいぶ 能 のう 量 りょう 。电子离原子核 げんしかく 越 こし 近 きん ,吸引 きゅういん 力 りょく 则越大 だい 。因 よし 此,与 あずか 外 そと 层电子 こ 相 しょう 比 ひ ,离核近 ちか 的 てき 电子需要 じゅよう 更 さら 多能 たのう 量 りょう 才能 さいのう 够逃逸 いっ 。[ 52]
原子 げんし 轨道 则是描述电子在 ざい 核 かく 内的 ないてき 概 がい 率 りつ 分布 ぶんぷ 的 てき 数学 すうがく 方 かた 程 ほど 。在 ざい 实际中 ちゅう ,只 ただ 有 ゆう 一 いち 组离散的 てき (或 ある 量子 りょうし 化 か 的 てき )轨道存在 そんざい ,其他可能 かのう 的 てき 形式 けいしき 会 かい 很快的 てき 坍塌成 なり 更 さら 稳定的 てき 形式 けいしき 。[ 53] 这些轨道可 か 以有一个或以上的环或节点,并且它们的 てき 大小 だいしょう ,形状 けいじょう 和 わ 空 そら 间方向 むこう 都 と 有 ゆう 不同 ふどう 。[ 54]
前 ぜん 五條原子轨道的波函数。三條 さんじょう 2p轨道 中 なか 的 てき 每 まい 條 じょう 都 と 有 ゆう 一 いち 粒 つぶ 角 かく 节点,因 いん 此有特定 とくてい 的 てき 朝 あさ 向 むこう 。它们都 と 有 ゆう 一个最小值点在中心。
每 まい 條 じょう 原子 げんし 轨道都 と 对应一 いち 粒 つぶ 电子的 てき 能 のう 级 。电子可 か 以吸收 きゅうしゅう 一粒有足够能量的光子而跃迁到更高的能级。同 どう 样,通 つう 过自 じ 发辐射 しゃ ,在高 ありだか 能 のう 级态的 てき 电子也可以跃迁回低能 ていのう 级态,放出 ほうしゅつ 光子 こうし 。这些典型 てんけい 的 てき 能 のう 量 りょう ,也就是 ぜ 不同 ふどう 量子 りょうし 态之间的能 のう 量 りょう 差 さ ,可 か 以用来 らい 解 かい 释原子 げんし 谱线 。[ 53]
在 ざい 原子核 げんしかく 中 ちゅう 除去 じょきょ 或 ある 增加 ぞうか 一粒电子所需要的能量远远小于核子的结合能,这些能 のう 量 りょう 称 しょう 为电子结合能 のう 。例 れい 如:夺去氢原子中 こなか 基 もと 态 电子只 ただ 需要 じゅよう 13.6eV。[ 55] 当 とう 电子数 すう 与 あずか 质子数 すう 相等 そうとう 时,原子 はらこ 是 ただし 电中性 せい 的 てき 。如果电子数 すう 大 だい 于或小 しょう 于质子 こ 数 すう 时,该原子 げんし 就会称 しょう 为离子 。原子 げんし 最 さい 外 そと 层电子 こ 可 か 以移动至相 しょう 邻的原子 げんし ,也可以由两粒原子 げんし 所 しょ 共有 きょうゆう 。正 せい 是 ぜ 由 よし 于有了 りょう 这种机 つくえ 理 り ,原子 げんし 才能 さいのう 够键合 あい 形成 けいせい 分子 ぶんし 或 ある 其他种类的 てき 化合 かごう 物 ぶつ ,例 れい 如离子 こ 或 ある 共 きょう 价的网状晶 あきら 体 からだ 。[ 56]
根 ね 据 すえ 定 てい 义,有 ゆう 相 しょう 同 どう 质子数 すう 的 てき 原子 げんし 即 そく 属 ぞく 同 どう 一 いち 元素 げんそ ,质子数 すう 相 そう 同 どう 而中子 なかご 数 すう 不同 ふどう 的 てき 则是同一 どういつ 元素 げんそ 的 てき 不同 ふどう 同位 どうい 素 もと 。例 れい 如,所有 しょゆう 的 てき 氢原子 はらこ 都 と 只 ただ 有 ゆう 一 いち 粒 つぶ 质子,但 ただし 氢原子 げんし 的 てき 同位 どうい 素 もと 有 ゆう 几种,分 ふん 别含有 がんゆう 零 れい 粒 つぶ 中子 なかご (氢-1,目前 もくぜん 最 さい 常 つね 见的类型,有 ゆう 时也称 しょう 为氕 ),一粒 ひとつぶ 中子 なかご (氘 ),两粒中子 なかご (氚 )以及更 さら 多 た 中子 なかご 。[ 57] 原子 げんし 序 じょ 数 すう 从1(氢)到 いた 118(Og )均 ひとし 为已知 ち 元素 げんそ 。[ 58] 对于所有 しょゆう 原子 げんし 序 じょ 数 すう 大 だい 于82 的 てき 同位 どうい 素 もと 都 と 有 ゆう 放射 ほうしゃ 性 せい 。[ 59] [ 60]
地球 ちきゅう 上 じょう 自然 しぜん 存在 そんざい 约339 种核 かく 素 もと ,其中255 种是稳定的 てき ,约占总数79%。[ 61] 80种元素 げんそ 有 ゆう 一 いち 種 しゅ 或 ある 以上 いじょう 的 てき 稳定同位 どうい 素 もと 。第 だい 43号 ごう 元素 げんそ 、第 だい 61号 ごう 元素 げんそ 及所有 しょゆう 原子 げんし 序 じょ 数 すう 大 だい 于等于83 的 てき 元素 げんそ 没 ぼつ 有 ゆう 稳定的 てき 同位 どうい 素 もと 。有 ゆう 十 じゅう 六种元素只含有一个稳定的同位素,而拥有 ゆう 同位 どうい 素 もと 最多 さいた 的 てき 元素 げんそ ,锡 ,则有十 じゅう 个同位 い 素 もと 。[ 62]
同位 どうい 素的 すてき 稳定性 せい 不 ふ 只 ただ 受到质子数 すう 与 あずか 中子 なかご 数 すう 之 の 比 ひ 的 てき 影 かげ 响,也受到所 しょ 谓幻数 すう 的 てき 影 かげ 响,实际上 じょう 幻 まぼろし 数 すう 就代表 だいひょう 了 りょう 全 ぜん 满的量子 りょうし 层。这些量子 りょうし 层对应于原子核 げんしかく 层模型 がた 中 ちゅう 一 いち 组能级。在 ざい 已 やめ 知的 ちてき 269种稳定 てい 核 かく 素 もと 中 ちゅう ,只 ただ 有 ゆう 四種同时有奇数粒质子和奇数粒中子。它们是 ぜ 2 H , 6 Li , 10 B和 わ 14 N ;对于放射 ほうしゃ 性 せい 核 かく 素 もと 来 らい 说,也只有 ゆう 5种奇-奇 き 核 かく 素的 すてき 半 はん 衰 おとろえ 期 き 超 ちょう 过一亿年:40 K , 50 V , 138 La ,176 Lu和 わ 180m Ta 。这是因 いん 为对于大多数 たすう 奇 き -奇 き 核 かく 素 もと 来 らい 说,很易会 かい β べーた 衰 おとろえ 变 ,产生更 さら 稳定的 てき 偶-偶核素 もと 。[ 62]
因 いん 为原子 げんし 质量的 てき 绝大部分 ぶぶん 是 ぜ 质子和 かず 中子 なかこ 的 てき 质量,所以 ゆえん 质子和 かず 中子 なかこ 数量 すうりょう 的 てき 总和叫 さけべ 做质量数 すう 。原子 げんし 的 てき 静止 せいし 质量通 どおり 常用 じょうよう 统一原子质量单位 (u)来 らい 表示 ひょうじ ,也称作道 つくりみち 尔顿(Da)。这单位 い 定 てい 义为电中性 せい 的 てき 碳12 质量的 てき 十 じゅう 二 に 分 ふん 之 の 一 いち ,约为
1.660
556
5
×
10
−
27
{\displaystyle 1.660\ 556\ 5\times 10^{-27}}
公 おおやけ 斤 きん 。[ 63] 氢最轻的同位 どうい 素 もと 氕是最 さい 轻的原子 げんし ,重 じゅう 约1.007825u。[ 64] 原子 げんし 质量约是质量数 すう 与原 よはら 子 こ 质量单位的 てき 乘 じょう 积。[ 65] 最 さい 重 じゅう 的 てき 稳定原子 げんし 是 ぜ 铅-208,[ 59] 质量为207.9766521u。[ 66] 就算是 ぜ 最 さい 重 じゅう 的 てき 原子 げんし ,化学 かがく 家 か 也很难直接 ちょくせつ 操作 そうさ 之 の ,所以 ゆえん 它们通常 つうじょう 使用 しよう 另一单位,摩 ま 尔 ,簡稱摩 ま 。摩 ま 的 てき 定 てい 义是对于任 にん 何 なん 元素 げんそ ,一摩总是有同样数量的原子,约
6.022
×
10
23
{\displaystyle 6.022\times 10^{23}}
。如果元素 げんそ 的 てき 原子 げんし 质量为1u,一摩该原子的质量就为0.001kg,也就是 ぜ 1克 かつ 。例 れい 如,碳的原子 げんし 质量是 ぜ 12u,一摩碳的质量则是0.012kg。[ 63]
原子 げんし 并没有精 ゆうせい 确定义的最 さい 外 そと 层,只 ただ 有 ゆう 当 とう 两粒原子 げんし 形成 けいせい 化学 かがく 键后 きさき ,测量两粒原子核 げんしかく 间的距离,才能 さいのう 得 え 到 いた 原子 げんし 半径 はんけい 的 てき 近似 きんじ 值。影 かげ 响原子 げんし 半径 はんけい 的 てき 因 いん 素 もと 很多,包括 ほうかつ 在 ざい 元素 げんそ 周期 しゅうき 表 ひょう 的 てき 位置 いち ,化学 かがく 键的类型,周 しゅう 围的原子 げんし 数 すう (配 はい 位 い 数 すう )以及自 じ 旋 。[ 67] 在 ざい 元素 げんそ 周期 しゅうき 表 ひょう 中 ちゅう ,原子 げんし 的 てき 半径 はんけい 变化的 てき 大体 だいたい 趋势是 ぜ 自 じ 上 うえ 而下增加 ぞうか ,而从左 ひだり 至 いたり 右 みぎ 减少。[ 68] 因 いん 此,最小 さいしょう 的 てき 原子 げんし 是 ぜ 氦 ,半径 はんけい 32pm;最大 さいだい 的 てき 原子 げんし 是 ぜ 铯 ,半径 はんけい 为225pm。[ 69] 因 いん 为这样的尺寸 しゃくすん 远远小 しょう 于可见光的 てき 波 なみ 长(约400-700nm),所以 ゆえん 不能 ふのう 够通过光学 こうがく 显微镜来 らい 观测它们。然 しか 而,使用 しよう 扫描隧道 すいどう 显微镜 我 わが 们能够观察到单粒原子 げんし 。
可 か 以看到 いた :原子 げんし 的 てき 体 からだ 积很小 しょう 。一 いち 根 ね 人的 じんてき 头发 的 てき 直径 ちょっけい 大 だい 约是一 いち 百 ひゃく 万 まん 粒 つぶ 原子 げんし 。[ 70] 一滴水则大约有二十垓 (
2
×
10
21
{\displaystyle {\ce {2\times 10^{21}}}}
)粒 つぶ 氧原子 げんし 以及两倍的 てき 氢原子 げんし 。[ 71] 一 いち 克 かつ 拉 ひしげ 钻石 重量 じゅうりょう 为
2
×
10
−
4
{\displaystyle 2\times 10^{-4}}
kg,含有 がんゆう 约100垓粒碳原子 げんし 。[ 72] 如果苹果 りんご 放 ひ 大 だい 到 いた 地球 ちきゅう 的 てき 大小 だいしょう ,苹果 りんご 中 ちゅう 的 てき 原子 げんし 就大约有原 はら 来 らい 苹果 りんご 那 な 么大。[ 73]
这个图表展示 てんじ 了 りょう 含有 がんゆう Z粒 つぶ 质子和 わ N粒 つぶ 中子 なかご 的 てき 同位 どうい 素的 すてき 半 はん 衰 おとろえ 期 き (T½ ),单位是 ぜ 秒 びょう
每 まい 种元素 げんそ 都 と 有 ゆう 一个或以上同位素有不稳定的原子核,从而能 のう 放射 ほうしゃ 性 せい 衰 おとろえ 变,在 ざい 这个过程中 ちゅう ,原子核 げんしかく 可 か 释放出 ほうしゅつ 粒子 りゅうし 或 ある 电磁辐射。原子核 げんしかく 半径 はんけい 大 だい 于强力 りょく 的 てき 作用 さよう 半径 はんけい 时就可能 かのう 會 かい 放射 ほうしゃ 性 せい 衰 おとろえ 变,而强力 りょく 的 てき 作用 さよう 半径 はんけい 仅为几飞米 まい 。[ 74]
最 さい 常 つね 见的放射 ほうしゃ 性 せい 衰 おとろえ 变如下 か :[ 75] [ 76]
α あるふぁ 衰 おとろえ 变 :原子核 げんしかく 释放一 いち 粒 つぶ α あるふぁ 粒子 りゅうし ,即 そく 含有 がんゆう 两粒质子和 わ 两粒中子 なかご 的 てき 氦原子核 げんしかく 。衰 おとろえ 变产生 せい 原子 げんし 序 じょ 数 すう 低 てい 一 いち 些的新 しん 元素 げんそ 。
β べーた 衰 おとろえ 变 :弱 じゃく 相互 そうご 作用 さよう 的 てき 现象,过程中 ちゅう 中子 なかご 转变成 なり 质子或 ある 者 もの 质子转变成 なり 中子 なかご 。前者 ぜんしゃ 亦 また 释放一粒电子和一粒反中微子,后 きさき 者 しゃ 则释放一粒正电子和一粒中微子。所 ところ 释放的 てき 电子或 ある 正 せい 电子叫 さけべ β べーた 粒子 りゅうし 。因 よし 此,β べーた 衰 おとろえ 变能够使得 とく 该原子 げんし 的 てき 原子 げんし 序 じょ 数 すう 增加 ぞうか 或 ある 减少一 いち 。
γ がんま 衰 おとろえ 变 :原子核 げんしかく 的 てき 能 のう 级降低 てい ,释放出 ほうしゅつ 电磁波 は 辐射,通常 つうじょう 在 ざい 释放了 りょう α あるふぁ 粒子 りゅうし 或 ある β べーた 粒子 りゅうし 后 きさき 发生。
其它比 ひ 较罕见的放射 ほうしゃ 性 せい 衰 おとろえ 变还包括 ほうかつ :释放中子 なかご 或 ある 质子,释放核 かく 子 こ 团或电子团,通 つう 过内 うち 转换 产生高速 こうそく 的 てき 电子而非β べーた 射 い 线 以及高 だか 能 のう 的 てき 光子 こうし 而非伽 とぎ 马射线。
每 まい 一个放射性同位素都有一个特征衰变期间,即 そく 半 はん 衰 おとろえ 期 き 。半 はん 衰 おとろえ 期 き 就是一半样品发生衰变所需要的时间。这是一 いち 种指数 しすう 衰 おとろえ 减 ,即 そく 样品在 ざい 每 まい 一个半衰期内恒定的衰变50%,换句话说,当 とう 两次半 はん 衰 おとろえ 期 き 之 の 后 きさき ,就只剩 あま 下 しも 25%的 てき 起 おこり 始 はじめ 同位 どうい 素 もと 了 りょう 。[ 74]
基本 きほん 微粒 びりゅう 都 と 有 ゆう 一个固有性质,就像在 ざい 宏 ひろし 观物理 ぶつり 中 ちゅう 围绕质心 旋转的 てき 物体 ぶったい 都 みやこ 有 ゆう 角 すみ 动量一 いち 样,在 ざい 量子力学 りょうしりきがく 叫 さけべ 自 じ 旋 。但 ただし 是 ぜ 严格来 らい 说,这些微粒 びりゅう 仅仅是 ぜ 一 いち 些点,不能 ふのう 够旋转。自 じ 旋的单位是 ぜ 约化普 ひろし 朗 ろう 克 かつ 常数 じょうすう (
ℏ
{\displaystyle \hbar }
),电子、质子和 かず 中子 なかこ 的 てき 自 じ 旋都是 ぜ ½
ℏ
{\displaystyle \hbar }
。在 ざい 原子 げんし 里 さと ,电子围绕原子核 げんしかく 运动,所以 ゆえん 除 じょ 了 りょう 自 じ 旋,它们还有轨道角 かく 动量 。而对于原子核 げんしかく 来 らい 说,轨道角 かく 动量是 ぜ 起源 きげん 于自身 じしん 的 てき 自 じ 旋。[ 77]
正 せい 如旋转的带电物体 ぶったい 能 のう 够产生 せい 磁场 一 いち 样,原子 げんし 所 しょ 产生的 てき 磁场,即 そく 它的磁矩 ,就是由 よし 这些不同 ふどう 的 てき 角 かく 动量决定的 てき 。然 しか 后 きさき ,自 じ 旋对它的影 かげ 响应该是最大 さいだい 的 てき 。因 よし 为电子 こ 的 てき 一个性质就是要符合泡 あわ 利 り 不 ふ 相 あい 容 よう 原理 げんり ,即 そく 不能 ふのう 有 ゆう 两粒位 い 于同样量子 りょうし 态的电子,所以 ゆえん 当 とう 电子成 なり 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 てき 磁场相互 そうご 抵消。对于某 ぼう 些带有 ゆう 偶数 ぐうすう 电子的 てき 原子 げんし ,总的磁偶极矩会 かい 减少至 いたり 零 れい 。[ 78]
对于铁磁 元素 げんそ ,例 れい 如铁,电子总数为奇数 すう ,会 かい 产生净磁矩 のり 。同 どう 时,因 いん 为相邻原子 げんし 轨道重 じゅう 叠等原因 げんいん ,当 とう 未成 みせい 对电子 こ 都 と 朝 あさ 向 こう 同一 どういつ 个方向 ほうこう 时,体系 たいけい 的 てき 总能量 りょう 最低 さいてい ,这个过程称 しょう 为交换相互 そうご 作用 さよう 。当 とう 这些铁磁性 せい 元素 げんそ 的 てき 磁动量 りょう 都 と 统一朝 いっちょう 向 こう 后 きさき ,整 せい 个材料 りょう 就会拥有一个宏观可以测量的磁场。顺磁性 せい 材料 ざいりょう 中 ちゅう ,在 ざい 没 ぼつ 有 ゆう 外部 がいぶ 磁场的 てき 情 じょう 况下,原子 げんし 磁矩都 と 是 ぜ 随 ずい 机 つくえ 分布 ぶんぷ 的 てき ;施 ほどこせ 加 か 了 りょう 外部 がいぶ 磁场以后,所有 しょゆう 原子 げんし 都会 とかい 统一朝 いっちょう 向 むかい ,产生磁场。[ 79] [ 78]
原子核 げんしかく 也可以存在 そんざい 净自旋。由 よし 于热平衡 へいこう ,这些原子核 げんしかく 通常 つうじょう 都 と 随 ずい 机 つくえ 朝 あさ 向 むこう 。但 ただし 一 いち 些元素 げんそ ,例 れい 如氙 -129,一部分核自旋也可能极化 ,这状态叫做超 ちょう 极化 ,在 ざい 核 かく 磁共振 きょうしん 成 なり 像 ぞう 中有 ちゅうう 很重要 じゅうよう 的 てき 用途 ようと 。[ 80] [ 81]
原子 げんし 中 ちゅう ,电子的 てき 势能 与 あずか 它离原子核 げんしかく 的 てき 距离成 なり 反 はん 比 ひ 。测量电子的 てき 势能,通常 つうじょう 的 てき 测量将 はた 让该电子脱 だつ 离原子 げんし 所 しょ 需要 じゅよう 的 てき 能 のう 量 りょう ,单位是 ぜ 电子伏 ふく 特 とく (eV)。在 ざい 量子力学 りょうしりきがく 模型 もけい 中 ちゅう ,电子只 ただ 能 のう 占 うらない 据 すえ 一组以原子核为中心的状态,每 ごと 一个状态就对应于一个能级。最低 さいてい 的 てき 能 のう 级就叫 さけべ 做基态,而更高 だか 的 てき 能 のう 级就叫 さけべ 做激发态。[ 82]
电子要 よう 在 ざい 两个能 のう 级之间跃迁的前提 ぜんてい 是 ぜ 它要吸收 きゅうしゅう 或 ある 者 もの 释放能 のう 量 りょう ,该能量 りょう 还必须要和 わ 这两个能级之间的能 のう 量 りょう 差 さ 一致 いっち 。因 よし 为释放的 てき 光 ひかり 子 こ 能 のう 量 りょう 只 ただ 与 あずか 光子 こうし 的 てき 频率有 ゆう 关,并且能 のう 级是不 ふ 连续的 てき ,所以 ゆえん 在 ざい 电磁波 は 谱 中 ちゅう 就会出 で 现一些不连续的带。[ 83] 每 まい 種 たね 元素 げんそ 都 と 有 ゆう 特 とく 征 せい 波 は 谱,特 とく 征 せい 波 は 谱取决于核 かく 电荷的 てき 多少 たしょう ,电子的 てき 填 はま 充 たかし 情 じょう 况,电子间的电磁相互 そうご 作用 さよう 以及一些其他的因素。[ 84]
吸收 きゅうしゅう 谱线的 てき 例 れい 子 こ :太陽 たいよう 的 てき 夫 おっと 朗 ろう 和 わ 斐譜線 せん
当 とう 一束全谱的光经过一团气体或者一团等离子体后,原子 げんし 会 かい 吸收 きゅうしゅう 一 いち 些光子 こうし ,使 つかい 得 とく 这些原子 げんし 内 ない 的 てき 电子跃迁。而在激 げき 发态的 てき 电子则会自 じ 发的返 かえし 回 かい 低能 ていのう 态,能 のう 量 りょう 差 さ 作 さく 为光子 こうし 释放至 いたり 随 ずい 机 つくえ 方向 ほうこう 。前者 ぜんしゃ 就使那 な 些原子 はらこ 有 ゆう 了 りょう 类似于滤镜的功 こう 能 のう ,观测者 しゃ 在 ざい 最 さい 后 きさき 接收 せっしゅう 到 いた 的 てき 光 ひかり 谱中会 かい 发现一 いち 些黑色 しょく 的 てき 吸收 きゅうしゅう 能 のう 带 。而后者 しゃ 能 のう 够使那 な 些与光 こう 线不在 ざい 同 どう 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 な 些原子 げんし 的 てき 发射谱线 。用 よう 光 こう 谱学测量这些谱线就可知 かち 该物质的组成以及物理 ぶつり 性 せい 质。[ 85]
仔 こ 细分析 ぶんせき 谱线后 きさき ,科学 かがく 家 か 发现一些谱线有着精 せい 细结构的 てき 裂 きれ 分 ぶん 。这是因 いん 为自旋与最 さい 外 そと 层电子 こ 运动间的相互 そうご 作用 さよう ,也称作 さく 自 じ 旋-轨道耦合 。[ 86] 当 とう 原子 げんし 位 い 于外部 ぶ 磁场中 ちゅう 时,谱线能 のう 够裂分 ぶん 成 なり 三个或多个部分,这现象 ぞう 叫 さけべ 塞 ふさが 曼效应 ,其原 そのはら 因 いん 是 ぜ 原子 げんし 的 てき 磁矩及其电子与 あずか 外部 がいぶ 磁场的 てき 相互 そうご 作用 さよう 。一些原子拥有许多相同能级电子排布,因 いん 而只产生一 いち 条 じょう 谱线。当 とう 这些原子 げんし 安置 あんち 在 ざい 外部 がいぶ 磁场 中 ちゅう 时,这几种电子 こ 排 はい 布 ぬの 的 てき 能 のう 级就有 ゆう 了 りょう 一些细小区别,这样就出现了裂 きれ 分 ぶん 。[ 87] 外部 がいぶ 电场也能导致类似的 てき 现象发生,成 なり 为斯塔克 かつ 效 こう 应 。[ 88]
如果一粒电子在激发态,一粒有恰当能量的光子能够使得该电子受激辐射 ,释放出 ほうしゅつ 一粒拥有相同能量的光子,其前提 ぜんてい 就是电子返 かえし 回 かい 低能 ていのう 级所释放出来 でき 的 てき 能 のう 量 りょう 必须要 よう 与 あずか 之 これ 作用 さよう 的 てき 光子 こうし 的 てき 能 のう 量 りょう 一致 いっち 。此时,受激释放的 てき 光子 こうし 与原 よはら 光子 こうし 向 こう 同一 どういつ 个方向 ほうこう 运动,也就是 ぜ 说这两粒光子 こうし 的 てき 波 なみ 是 ぜ 同 どう 步 ふ 的 てき 。利用 りよう 这个原理 げんり ,人 にん 们设计出了 りょう 激 げき 光 こう ,用 もちい 来 らい 产生一束拥有很窄频率相 あい 干 ひ 光源 こうげん 。[ 89]
单粒原子 げんし 的 てき 电子层最外 がい 层一般称为价层,其中的 てき 电子称 しょう 为价电子 こ 。价电子 こ 粒 つぶ 数 すう 决定了 りょう 这原子 げんし 与 あずか 其他原子 はらこ 成 しげる 键 的 まと 性 せい 质。原子 げんし 能 のう 发生化学 かがく 反 はん 应的一个统一趋势是使其价层全满或者全空。[ 90]
化学 かがく 元素 げんそ 通常 つうじょう 写 うつし 在 ざい 化学 かがく 周期 しゅうき 表 ひょう 中 ちゅう ,用 もちい 来 らい 表明 ひょうめい 它们有 ゆう 周期 しゅうき 重 じゅう 复的一些化学性质。通常 つうじょう ,拥有相 しょう 同 どう 数量 すうりょう 价电子 こ 的 てき 元素 げんそ 形成 けいせい 一 いち 组,在 ざい 元素 げんそ 周期 しゅうき 表 ひょう 中 ちゅう 占 うらない 相 しょう 同 どう 的 てき 一 いち 列 れつ 。而元素 げんそ 周期 しゅうき 表 ひょう 中 ちゅう 的 てき 横 よこ 排 はい 则与量子 りょうし 层的电子填 はま 充 たかし 情 じょう 况相对应。周期 しゅうき 表 ひょう 最 さい 右 みぎ 边的元素 げんそ 价层都 と 全 ぜん 满,它们在 ざい 化学 かがく 反 はん 应中表 なかおもて 现出一定 いってい 的 てき 惰性 だせい ,称 しょう 为惰性 だせい 气体 。[ 91] [ 92]
能 のう 够阐明 あきら 玻色-爱因斯坦凝聚 ぎょうしゅう 态 形成 けいせい 的 てき 截图。
物 もの 质很多 た 不同 ふどう 的 てき 相 あい 态之 これ 中 ちゅう 都 と 存在 そんざい 原子 げんし ,这些相 しょう 态都由 よし 一定的物理条件所决定,例 れい 如温度 おんど 与 あずか 压强 。通 つう 过改变这些条件 じょうけん ,物 もの 质可以在固体 こたい 、液体 えきたい 、气体 与 あずか 等 とう 离子体 たい 之 これ 间转换。[ 93] 在 ざい 同一 どういつ 种相态中,物 もの 质也可 か 以有不同 ふどう 的形 まとがた 态,例 れい 如固态的碳 就有石墨 せきぼく 和 わ 金 きむ 刚石 两种形 がた 态。[ 94]
当 とう 温度 おんど 很靠近 ちか 绝对零 れい 度 ど 时,原子 げんし 可 か 以形成 けいせい 玻斯-爱因斯坦凝聚 ぎょうしゅう 态 。[ 95] [ 96] 这些超 ちょう 冷 ひや 的 てき 原子 げんし 可 か 视为超 ちょう 原子 げんし ,使 つかい 得 とく 科学 かがく 家 か 可 か 以研究 けんきゅう 量子力学 りょうしりきがく 的 てき 一 いち 些基本 きほん 原理 げんり 。[ 97]
扫描隧道 すいどう 显微镜图片 へん ,显示了 りょう 组成Au (100 )的 てき 单粒金 きん 原子 げんし 。
扫描隧道 すいどう 显微镜 是 ぜ 用 よう 来 らい 在 ざい 原子 げんし 級數 きゅうすう 观测物体 ぶったい 表面 ひょうめん 的 てき 仪器。它利用 よう 了 りょう 量子 りょうし 穿 ほじ 隧效应 ,使 つかい 电子能 のう 穿 ほじ 越 えつ 平 たいら 时不能 ふのう 克服 こくふく 的 てき 障碍 しょうがい 。在 ざい 操作 そうさ 中 ちゅう ,电子能 のう 够隧穿介 かい 于两塊 かたまり 平面 へいめん 金属 きんぞく 电极间的真空 しんくう 。每 まい 塊 かたまり 电极表面 ひょうめん 吸附有 ゆう 一 いち 粒 つぶ 原子 げんし ,使 つかい 得 え 穿 ほじ 隧电流 りゅう 密度 みつど 大 だい 到 いた 可 か 以测量 りょう 。扫描時 じ 保持 ほじ 电流恒 つね 定 じょう ,可 か 以得到 いた 探 さがせ 针末端 はし 上下 じょうげ 位 い 移 うつり 与 あずか 横 よこ 向 むこう 位 い 移 うつり 间关系 けい 的 てき 图。计算证明扫描隧道 すいどう 显微镜所得 しょとく 到 いた 的 てき 显微图像能 のう 够分辨 べん 出 で 单粒原子 げんし 。在 ざい 低 てい 偏差 へんさ 的 てき 情 じょう 况下,显微图像显示的 てき 是 ぜ 对相近 きん 能 のう 级的电子轨道的 てき 一种空间平均后的尺寸,这些相近 すけちか 的 てき 能 のう 级也就是费米能 のう 中 なか 的 てき 局部 きょくぶ 态密度 みつど 。[ 98] [ 99]
原子 げんし 失 しつ 去 さ 电子时就电离 了 りょう 。这多余 あまり 的 てき 电荷會 かい 偏 へん 折 おり 它在磁场运行的 てき 轨迹。这偏转角度 かくど 由 よし 原子 げんし 质量决定。质谱仪 就用这原理 げんり 测定离子的 てき 质荷比 ひ 。如果样品里 さと 有 ゆう 多 た 种同位 い 素 もと ,质谱可 か 以通过测量 りょう 不同 ふどう 离子束 たば 的 てき 强度 きょうど 来 らい 推导同位 どうい 素的 すてき 比例 ひれい 。使 つかい 原子 げんし 气化的 てき 技 わざ 术包括 ほうかつ 电感耦合等 とう 离子体 たい 原子 げんし 发射光 こう 谱 以及电感耦合等 とう 离子体 たい 质谱法 ほう 。这两种技术都使用 しよう 了 りょう 气态或 ある 等 とう 离子态的样品。[ 100]
另一有侷限的方法是电子能 のう 量 りょう 损失谱 ,它是通 どおり 过测量 りょう 透 とおる 射 しゃ 电子显微镜中电子束 たばね 穿 ほじ 越 えつ 一个样品后所损失的能量。原子 げんし 探 さがせ 针显像 ぞう 具有 ぐゆう 三维亚纳米级的分辨率,也可以通过飞行时间质谱仪 来 らい 鉴定单粒的 てき 原子 げんし 。[ 101]
激 げき 发态光 ひかり 谱可以用来 らい 研究 けんきゅう 远距离恒星 こうせい 的 てき 元素 げんそ 组成。观测来 き 自 じ 恒星 こうせい 的 てき 光 ひかり 谱中特殊 とくしゅ 的 てき 波 なみ 长,可 か 以得到 いた 气体状 じょう 态下原子 げんし 的 てき 量子 りょうし 转变。使用 しよう 同 どう 种元素的 すてき 气体放 ひ 电灯 ,可 か 以得到 いた 相 あい 同 どう 的 てき 颜色。[ 102] 氦 元素 げんそ 就是以这种手段 しゅだん 在 ざい 太 ふとし 阳的 てき 光 ひかり 谱中发现,比 ひ 在 ざい 地球 ちきゅう 上 じょう 发现早 さ 了 りょう 23年 ねん 。[ 103]
稳定的 てき 质子和 わ 电子在 ざい 大 だい 爆 ばく 炸后 きさき 的 てき 一秒钟内出现。在 ざい 接 せっ 下 か 来 らい 的 てき 三 さん 分 ふん 钟之内 ない ,太初 たいしょ 核 かく 合成 ごうせい 产生了 りょう 宇宙 うちゅう 中大 ちゅうだい 部分 ぶぶん 的 てき 氦 、锂 和 わ 氘 ,有 ゆう 可能 かのう 也产生 せい 了 りょう 一 いち 些铍 和 わ 硼 。[ 104] [ 105] [ 106] 在 ざい 理 り 论上,最初 さいしょ 的 てき 原子 げんし (有 ゆう 束 たば 缚的电子)是 ぜ 在 ざい 大 だい 爆 ばく 炸后大 だい 约38万 まん 年 ねん 产生的 てき ,这个时代称 しょう 为重 じゅう 新 しん 结合 ,在 ざい 这时宇宙 うちゅう 已 やめ 经冷却到足 あし 以使电子与原 よはら 子 こ 核 かく 结合了 りょう 。[ 107] 自 じ 从那时候开始,原子核 げんしかく 就开始 はじめ 在 ざい 恒星 こうせい 中通 なかとおり 过核 かく 聚变的 てき 过程结合,产生直 きすぐ 到 いた 铁的元素 げんそ 。[ 108]
像 ぞう 锂-6那 な 样的同位 どうい 素 もと 是 ぜ 在 ざい 太 ふとし 空中 くうちゅう 通 どおり 过宇宙 うちゅう 射 しゃ 线散裂 きれ 产生的 てき 。[ 109] 这种现象在高 ありだか 能 のう 量的 りょうてき 质子撞击原子核 げんしかく 时会发生,射出 しゃしゅつ 大量 たいりょう 核 かく 子 こ 。比 ひ 铁重的 てき 元素 げんそ 在 ざい 超新星 ちょうしんせい 中通 なかとおり 过r-过程 产生,或 ある 在 ざい AGB星 ほし 中通 なかとおり 过s-过程 产生,两种过程中 ちゅう 原子核 げんしかく 都會 とかい 捕 と 获中子 こ 。[ 110] 像 ぞう 铅 那 な 样的元素 げんそ ,大 だい 都 と 是 ぜ 从更重 じゅう 的 てき 元素 げんそ 通 どおり 过核 かく 衰 おとろえ 变 产生的 てき 。[ 111]
大 だい 部分 ぶぶん 组成地球 ちきゅう 及其居 きょ 民 みん 的 てき 原子 げんし ,都 みやこ 是 ただし 在 ざい 太 ふとし 阳系刚形成 けいせい 的 てき 时候就已经存在 そんざい 了 りょう 。还有一部分的原子是核衰变的结果,它们的 てき 相 しょう 对比例 ひれい 可 か 以用来 らい 通 どおり 过放射 ほうしゃ 性 せい 定年 ていねん 法 ほう 决定地球 ちきゅう 的 てき 年 とし 龄 。[ 112] [ 113] 大部 おおぶ 分地 ぶんち 壳中的 てき 氦 都 みやこ 是 ただし α あるふぁ 衰 おとろえ 变的 てき 产物。[ 114]
地球 ちきゅう 上 じょう 有 ゆう 很少的 てき 原子 げんし 既 すんで 不 ふ 是 ぜ 在 ざい 一开始就存在的,也不是 ぜ 放射 ほうしゃ 性 せい 衰 おとろえ 变的结果。碳-14 是 ぜ 大 だい 气中的 てき 宇宙 うちゅう 射 しゃ 线所产生的 てき 。[ 115] 有 ゆう 些地球 ちきゅう 上 じょう 的 てき 原子 げんし 是 ぜ 核 かく 反 はん 应堆或 ある 核 かく 爆 ばく 炸的产物,要 よう 么是特 とく 意 い 制 せい 造 づくり 的 てき ,要 よう 么是副 ふく 产物。[ 116] [ 117] 在 ざい 所有 しょゆう 超 ちょう 铀元素 げんそ ──原子 げんし 序 じょ 数 すう 大 だい 于92的 てき 元素 げんそ 中 ちゅう ,只 ただ 有 ゆう 钚 和 わ 镎 在 ざい 地球 ちきゅう 中 ちゅう 自然 しぜん 出 で 现。[ 118] [ 119] 超 ちょう 铀元素的 すてき 寿命 じゅみょう 比 ひ 地球 ちきゅう 现在的 てき 年 とし 龄短[ 120] ,因 いん 此许多 た 这类的 てき 元素 げんそ 都 と 早 はや 已 やめ 衰 おとろえ 变了,只 ただ 有 ゆう 微量 びりょう 的 てき 钚-244 例外 れいがい [ 112] 。钚和镎的自然 しぜん 矿藏是 ぜ 在 ざい 铀矿中通 なかとおり 过中子 なかご 俘获 产生的 てき 。[ 121]
地球 ちきゅう 有 ゆう 约
1.33
×
10
50
{\displaystyle 1.33\times 10^{50}}
粒 つぶ 原子 げんし 。[ 122] 地球 ちきゅう 大 だい 气层有 ゆう 少量 しょうりょう 惰性 だせい 气体原子 げんし ,如氩 和 わ 氖 。大 だい 气层剩下 か 的 てき 99%的 てき 部分 ぶぶん ,是 ぜ 以分子 ぶんし 的 てき 形式 けいしき 束 たば 缚的,包括 ほうかつ 二 に 氧化碳 、双 そう 原子 げんし 的 てき 氧气 和 わ 氮气 。在 ざい 地球 ちきゅう 表面 ひょうめん ,原子 げんし 结合并形成 けいせい 了 りょう 各 かく 种各样的化合 かごう 物 ぶつ ,包括 ほうかつ 水 みず 、盐 、硅酸 けいさん 盐和 わ 氧化物 ぶつ 。原子 げんし 也可以结合 あい 起 おこり 来 らい 组成不 ふ 含独立 どくりつ 分子 ぶんし 的 てき 物 ぶつ 质,包括 ほうかつ 晶 あきら 体 からだ 和 わ 液 えき 态或固 かた 态金属 きんぞく 。[ 123] [ 124]
虽然原子 げんし 序 じょ 数 すう 大 だい 于82(铅 )的 てき 元素 げんそ 已 やめ 知 し 有 ゆう 放射 ほうしゃ 性 せい ,但 ただし 是 ぜ 对于原子 げんし 序 じょ 数 すう 大 だい 于103的 てき 元素 げんそ ,提出 ていしゅつ 了 りょう “稳定岛 ”的 てき 概念 がいねん 。这些超 ちょう 重 じゅう 元素 げんそ 中 ちゅう 可能 かのう 有 ゆう 原子核 げんしかく 相 しょう 对来说比其它原子核 げんしかく 稳定。[ 125] 最 さい 有 ゆう 可能 かのう 的 てき 稳定超 ちょう 重 じゅう 元素 げんそ 是 ぜ Ubh ,它有126粒 つぶ 质子和 わ 184粒 つぶ 中子 なかご 。[ 126]
各種 かくしゅ 粒子 りゅうし 都 と 有 ゆう 对应的 てき 反物 たんもの 质粒子 りゅうし ,电荷相反 あいはん ;正 せい 电子 就是带有正 せい 电荷的 てき 反 はん 电子,反 はん 质子就是与 あずか 质子对等,但 ただし 带有负电荷 に 的 てき 粒子 りゅうし 。不知 ふち 道 どう 什么原因 げんいん ,宇宙 うちゅう 中 ちゅう 反物 たんもの 质非常 ひじょう 稀少 きしょう ,在 ざい 自然 しぜん 界 かい 没 ぼつ 有 ゆう 发现任 にん 何 なん 反 はん 原子 げんし 。[ 127] [ 128] 然 しか 而,1996年 ねん ,在 ざい 日内 ひない 瓦 かわら 的 てき 欧 おう 洲 しゅう 核 かく 子 こ 研究 けんきゅう 中心 ちゅうしん ,首 しゅ 次 じ 合成 ごうせい 了 りょう 反 はん 氢 ──氢的反物 たんもの 质。[ 129] [ 130]
把 わ 原子 げんし 中 ちゅう 的 てき 质子、中子 なかご 或 ある 电子用 よう 相等 そうとう 电荷的 てき 其它粒子 りゅうし 代替 だいたい ,可 か 以形成 けいせい 奇 き 异原子 げんし 。例 れい 如,可 か 以把电子用 よう 质量更 さら 大 だい 的 てき 緲子 代替 だいたい ,形成 けいせい 緲子原子 げんし 。这些类型的 てき 原子 げんし 可 か 以用来 らい 测试物理 ぶつり 学 がく 的 てき 基本 きほん 预言。[ 131] [ 132] [ 133]
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1836
1837
≈
0.9995
{\displaystyle {\begin{smallmatrix}{\frac {1836}{1837}}\approx 0.9995\end{smallmatrix}}}
或 ある 99.95 %
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