原子的基本构成

2025-02-06 01:57:59

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回答1：

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) 。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9.11×10⁻³¹kg，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。
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：
(δ²ψ/δx²)+(δ²ψ/δy²)+(δ²ψ/δz²)=-(8π²)/(h²)·(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。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。
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。与此相反的过程是核裂变。
如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。
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。
组成
原子核由质子与中子组成（氢原子核只有一个质子），量子态。
质子（proton）
质子由两个上夸克和一个下夸克组成，带一个单位正电荷，质量是电子质量的1836.152701(37)倍，为1.6726231(10)×10⁻²⁷kg，然而部分质量可以转化为原子结合能。拥有相同质子数的原子是同一种元素，原子序数=质子数=核电荷数=核外电子数。
中子（neutron）
中子是原子中质量最大的亚原子粒子，自由中子的质量是电子质量的1838.683662(40)倍，为1.6749286(10)×10⁻²⁷kg。中子和质子的尺寸相仿，均在2.5×10⁻¹⁵m这一数量级，但它们的表面并没能精确定义。
中子由一个上夸克和两个下夸克组成，两种夸克的电荷相互抵销，所以中子不显电性，但，认为“中子不带电”的观点是错误的。
而对于某种特定的元素，中子数是可以变化的，拥有不同中子数的同种元素被称为同位素。中子数决定了一个原子的稳定程度，一些元素的同位素能够自发进行放射性衰变。
核力（nuclear force）
原子核被一种强力束缚在线度为10⁻¹⁵m的区域内。由于质子带正电，根据库仑定律，质子间的排斥作用本会使原子核爆裂，但，原子核中有一种力，把质子和中子紧紧束缚在一起，这种力就是核力。在一定距离内，核力远远大于静电力，克服了带正电的质子间的相互排斥。
核力的作用范围被称作力程，作用范围在2.5fm左右，最多不超过3fm ，即，不能从一个原子核延伸到另一个原子核，因此，核力属于短程力。
核素（nuclide）
具有相同质子数和中子数的原子核称为核素，而用x轴表示质子数；用y轴表示中子数所得到的图像就被称为核素图，由图可以发现，在x∈{0，1，2，3，…，20}时，核素图上的函数近似y=x，但随着质子数的增加，质子间的库仑斥力明显增强，原子核需要比往常更多的中子数维持原子核的未定，在x∈{21，22，23，…，112}时，函数近似为y=1.5x，中子数大于质子数。
结合能（energy of the nucleus）
在原子核中，将核子从原子核中分离做功消耗的能量，被称为结合能。实验发现，任一原子核的质量总是小于其组成核子的质量和（这一差值被称为质量亏损），因此，结合能可以由爱因斯坦质能方程推算：
结合能=（原子核内所有质子、中子的静止质量和-原子核静止质量）×光速^2
平均结合能（binding e.o.t.n）
一个原子核中每个核子结合能的平均值被称作平均结合能，计算公式为：
每个核子的平均结合能=总结合能÷核子数
平均结合能越大，原子核越难被分解成单个的核子。由右图可以看出：
①重核的平均结合能比中核小，因此，它们容易发生裂变并放出能量。
②轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能小，因此，当轻核发生聚变时会放出能量。
原子的范德华半径是指在分子晶体中，分子间以范德华力结合，如稀有气体相邻两原子核间距的一半。
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。
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，流体静力平衡。