原子是什么

原子是什么？

在化学反应中，原子是最小、最基本的结构，不可继续往下分。

例如，黄金就是由金原子组成。

但在粒子物理学中，原子还可以继续往下分，还有比原子更小的结构。

除了氢原子之外，其他原子都是由三种基本粒子组成：质子、中子和电子。

质子和中子结合形成了原子核，电子在原子核周围的空间轨道上运行。

在氢原子核中，只有一个质子，并没有中子。

中子不带电荷，质子带正电荷，所以原子核带正电。

由于绕核运动的电子带负电荷，且质子数等于核外电子数，因此整个原子呈现电中性。

此外，质子和中子还能继续往下分，它们都是由夸克组成。

其中质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由一个上夸克和两个下夸克组成。

由于上夸克和下夸克所带的电荷数分别为基本电荷的2/3和-1/3倍，因此，可以看到质子所带电荷数为一个基本电荷，中子则不带电。

几乎所有的原子质量都集中于原子核中的质子和中子，因为电子的质量非常小，原子核质量占整个原子的99.9%。

另外，由于电子围绕原子核运动，原子内的大部分都是空的。

据估计，原子核仅占原子大小的一万分之一。

原子的直径约为十分之一纳米，这大约是人类头发丝宽度的十万分之一。

如果把4300万个铁原子并排成一条直线，则这条线的长度仅为1毫米。

如果所有物质都是由原子组成，那么，为什么会有不同的元素呢？事实上，这都取决于原子的内部结构，每种元素含有不同数量的质子。

例如，每个氢原子都有1个质子，而每个氧原子都有8个质子。

有些元素甚至存在不止一种形式，它们有着相同的质子数，但中子数不同，它们被称为同位素。

例如，氢有三种同位素，分别是没有中子的氕（普通氢）、拥有一个中子的氘，以及拥有两个中子的氚。

组成世界的基本单元是什么？自古以来人们就在不断思考这个问题。

古希腊人留基柏和德谟克利特从哲学层面上提出了“原子论”的思想：原子是一种最后的不可分割的物质微粒，它的基本属性是"充实性"，每个原子都是毫无空隙的。

就像给你一个苹果，和一把足够锋利的刀，把苹果切成两半，再把其中一半又切成两半，然后不停地切下去。

会不会越切越小，越切越小，切到了尽头的最小单位就是原子。

但这个原子的概念还是停留在哲学层面，在古希腊语里面，原子就是“不可再分”的意思。

近代科学时期，人们重新开始思索组成万物的基本单元，伽森第、笛卡尔、玻意耳、拉瓦锡、道尔顿等人就是其中代表。

当时化学研究中已经有了化学元素的概念，道尔顿将原子论和化学元素结合起来，提出了近代原子论。

道尔顿认为有多少种不同的化学元素，就有多少种不同的原子；同一种元素的原子在质量、形态等方面完全相同。

他还强调查清原子的相对重量以及组成一个化合物“原子”的基本原子的数目极为重要。

受到当时牛顿力学的影响，道尔顿认为原子是通过万有引力相互作用而组成化合物的，虽然这个观点并正确，但道尔顿的近代原子论为后来人们对微观粒子的研究指明了方向。

现代人们将原子定义为化学反应中的最小单元，原子具有内部结构，即它由原子核和核外电子组成。

原子的典型直径在10^-10米，原子核直径小于10^-15米。

如果把原子比作足球场那么大的话，那么原子核只是足球场上的一只蚂蚁那么大小。

原子核外，都是电子的运动空间。

有关对原子内部结构的认识，也是经历了一个漫长的过程。

在此期间有许多关于原子结构的模型，比如道尔顿的实心球模型、汤姆逊的葡萄干布丁模型、日本科学家的土星模型和卢瑟福的行星模型等等，不过大部分这些模型都属于猜测并逐渐被更多的实验事实所否定。

玻尔为了解释氢原子的光谱，提出了基于普朗克和爱因斯坦量子论的原子模型。

他认为原子中的电子在某些分立的固定轨道上运行且不辐射能量，不同轨道上的电子具有不同的能量，这些分立的能量值叫做能级，仅当电子从一个能级跃迁到另一个能级时才会发射或者吸收两个能级差的能量值，从而原子光谱是一条条离散存在的光谱线，光谱线的能量值满足电子能级之间的跃迁规律。

玻尔的原子论成功解释了最为简单的氢原子光谱，但是对更为复杂的光谱却无能为力。

这是因为他虽然采用了量子论的观点——分立的能级和离散的能量，但是他还是基于经典力学中的行星轨道思想出发，只是加以一些约束条件而已，故而他的原子论属于半经典模型。

真正要理解原子内部电子的运动行为，还得用量子力学观点。

量子力学是描述微观粒子运动的基础理论，它从19世纪末20世纪初开始发展，经过普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、薛定谔、海森堡、波恩、康普顿、泡利、狄拉克等人的努力，已经成为现代物理中最为重要的理论之一。

量子力学认为微观粒子的运动和宏观物体相比有着很大的区别，即微观粒子的运动除了粒子性以外还具有波动性，波粒二象性使得粒子在运动过程中既表现出一些类似宏观刚性小球的行为，如碰撞和散射等，又表现出波的行为，如衍射和干涉等。

微观粒子的运动状态可以用波函数来描述，波函数一部分是粒子在空间中的位置，另一部分描述的是粒子的动量分布，它是一个复数形式的函数。

波函数满足薛定谔方程，即波函数随时间演变行为与其动能和势能的分布有关。

波函数的模方代表粒子在空间某个位置出现的几率，波函数之间的相互作用是和波动类似的复数形式。

根据薛定谔方程可知，对于特定波函数描述的微观粒子，其能量值只能取一些离散的特征能量，这就是玻尔原子论中能级的本质。

实际上原子内部的电子运动并存在人们设想如同行星一样的“轨道”，电子只是的原子核附近存在一些特定的几率分布，描述电子在原子核内部的分布可以采用“电子云”的概念，即电子在不同空间位置的出现的几率不同，将这些几率用空间分布函数来描述就是电子云。

在某些特定的地方电子出现的几率较大，原子内部的电子云就呈现“壳层”分布，这就是玻尔原子模型里的分立轨道的本质，因此人们又将它们称为“电子轨道”。

不同电子轨道的电子态数目不大一样，其电子云分布形状也形态各异。