原子
原子是物质的基本单位。它是能具有化学性质的最小的东西。原子有许多不同的类型,每个原子都有自己的名称、原子质量和大小。这些不同的原子被称为化学元素。化学元素在周期表上排列。元素的例子是氢和金。
原子非常小,但确切的大小取决于元素。原子的宽度在0.1至0.5纳米之间。一纳米大约比人的头发宽度小10万倍。这使得原子在没有特殊工具的情况下是无法看到的。科学家们通过实验来了解它们是如何工作和与其他原子相互作用的。
原子结合在一起形成分子:例如,两个氢原子和一个氧原子结合在一起形成一个水分子。原子结合在一起就叫化学反应。
原子由三种较小的粒子组成,分别称为质子(带正电)、中子(不带电)和电子(带负电)。质子和中子较重,停留在原子的中间。它们被称为原子核。它们被一团电子所包围,而电子很轻。它们被电磁力吸引到原子核的正电荷上。
原子的质子数和电子数告诉我们它是什么元素。例如,氢有一个质子和一个电子;硫元素有16个质子和16个电子。质子数就是原子序数。除氢元素外,原子核也有中子。质子数和中子数加起来就是原子量。
原子在气态时的运动速度(因为它们可以自由运动)比液态和固态物质的运动速度要快。在固体物质中,原子紧紧地挨在一起,所以它们会振动,但不能像液体中的原子那样移动(没有空间)。
历程
"原子"一词来自希腊语(↪Ll_1F00↩τόμος)"atomos",不可分割,来自(↪Ll_1F00↩)-,不,和τόμος,一刀。历史上第一次提到原子这个词是在公元前400年左右的希腊哲学家德谟克利特的著作中。原子理论一直作为一个主要的哲学主题,没有多少实际的科学调查或研究,直到1650年代化学的发展。
1777年,法国化学家安托万-拉瓦锡首次对元素一词进行了定义。他说,元素是任何不能用化学方法分解成其他物质的基本物质。任何可以分解的物质都是化合物。
1803年,英国哲学家约翰-道尔顿提出,元素是由原子组成的微小的实心球。道尔顿认为,同一元素的所有原子具有相同的质量。他说,当一种以上元素的原子结合时,就会形成化合物。根据道尔顿的观点,在某种化合物中,化合物中元素的原子总是以同样的方式结合。
1827年,英国科学家罗伯特-布朗在显微镜下观察水中的花粉粒。花粉粒似乎在抖动。布朗用道尔顿的原子理论来描述它们运动的模式。这被称为布朗运动。1905年,爱因斯坦用数学证明了这些看似随机的运动是由原子的反应引起的,他以此确证了原子的存在。1869年,俄国科学家德米特里-门捷列夫发表了第一版周期表。周期表按元素的原子序数(它们有多少个质子)进行分组。这通常与电子数相同)。)同列或同周期的元素通常具有相似的性质。例如,氦、氖、氩、氪和氙都在同一列中,具有非常相似的性质。这些元素都是没有颜色和气味的气体。同时,它们也不能与其他原子结合成化合物。它们一起被称为惰性气体。
物理学家J.J.汤姆森是第一个发现电子的人。这发生在1897年他在研究阴极射线时,他意识到电子带有负电荷,与质子(正电荷)和中子(无电荷)不同。他意识到电子带有负电荷,不同于质子(正电荷)和中子(无电荷)。汤姆森创造了李子布丁模型,该模型指出,原子就像李子布丁:干果(电子)被卡在一团布丁(质子)中。1909年,一位名叫欧内斯特-卢瑟福的科学家用盖格-马尔斯登实验证明,原子的大部分都在一个叫做原子核的极小空间里。卢瑟福拿了一块照相板,上面覆盖着金箔,然后向它射出α粒子(由两个质子和两个中子粘在一起组成)。许多粒子穿过了金箔,这证明了原子大部分是空的。电子非常小,只占原子质量的1%。
1913年,尼尔斯-玻尔提出了玻尔模型。这个模型表明,电子围绕原子核在固定的圆形轨道上旅行。这比卢瑟福模型更准确。然而,它仍然不是完全正确的。自玻尔模型首次提出以来,对其进行了改进。
1925年,化学家弗雷德里克-索迪发现,周期表中的一些元素有不止一种原子。例如,任何具有2个质子的原子都应该是氦原子。通常情况下,一个氦原子核还含有两个中子。然而,有些氦原子只有一个中子。这意味着它们确实是氦,因为一种元素是由质子数来定义的,但它们也不是普通的氦。苏迪把这样中子数不同的原子称为同位素。为了得到同位素的名称,我们看它的原子核里有多少个质子和中子,然后把这个加到元素的名称上。所以,一个氦原子有两个质子和一个中子就叫氦-3,一个碳原子有六个质子和六个中子就叫碳-12。然而,当他发展他的理论时,索迪不能确定中子真的存在。为了证明它们是真实存在的,物理学家詹姆斯-查德威克和其他团队创造了质谱仪。质谱仪实际上是测量单个原子的质量和重量。通过这样做查德威克证明,要想说明原子的所有重量,中子一定存在。
1937年,德国化学家奥托-哈恩成为第一个在实验室制造核裂变的人。他在向铀原子发射中子时偶然发现了这一点,希望能创造一种新的同位素。然而,他注意到,铀并没有产生新的同位素,而是简单地变成了比铀更小的原子--钡原子。显然,哈恩把铀原子"打碎"了。这是世界上第一次有记录的核裂变反应。这一发现最终导致了原子弹的诞生。
再到20世纪,物理学家们更深入地研究了原子的奥秘。他们利用粒子加速器发现,质子和中子实际上是由其他粒子组成的,称为夸克。
迄今为止,最精确的模型来自薛定谔方程。薛定谔意识到,电子存在于原子核周围的云中,称为电子云。在电子云中,不可能知道电子的确切位置。薛定谔方程被用来找出电子可能存在的位置。这个区域被称为电子的轨道。
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欧内斯特-卢瑟福
结构和部件
零件
复合原子由三个主要粒子组成:质子、中子和电子。氢的同位素氢-1没有中子,只有一个质子和一个电子。正氢离子没有电子,只有一个质子和一个中子。这两个例子是已知的唯一例外,所有其他原子至少各有一个质子、一个中子和一个电子。
电子是迄今为止三种原子粒子中最小的一种,它们的质量和体积都太小,用目前的技术无法测量。它们带有负电荷。质子和中子的大小和重量相近,质子带正电,中子不带电。大多数原子带中性电荷;因为质子(正)和电子(负)的数量相同,所以电荷平衡为零。然而,在离子(电子数不同)中,情况并不总是如此,它们可能带有正电荷或负电荷。质子和中子由夸克组成,有两种类型:上夸克和下夸克。一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成,一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。
细胞核
原子核位于原子的中间。它是由质子和中子组成的。通常在自然界中,两个电荷相同的东西会互相排斥或射离。所以,长期以来,科学家们都很疑惑,原子核中带正电荷的质子是如何保持在一起的。他们通过发现一种叫做胶子的粒子解决了这个问题。它的名字来自于"胶水"一词,因为胶子的作用就像原子胶水一样,利用强大的核力将质子粘在一起。正是这种力量也将构成质子和中子的夸克粘在一起。
中子与质子的数量决定了原子核是稳定的还是经过放射性衰变的。当中子或质子数量过多时,原子会试图通过消除额外的粒子来使其数量相同。它通过发射α、β或γ衰变形式的辐射来实现。核子也可以通过其他方式发生变化。核裂变是指原子核分裂成两个较小的原子核,释放出大量储存的能量。这种能量的释放使得核裂变可以用来制造炸弹和电力,即核电的形式。核子变化的另一种方式是通过核聚变,即两个核子结合在一起,或融合,形成一个更重的核子。这个过程需要极高的能量,以克服质子之间的静电斥力,因为它们具有相同的电荷。这样的高能量在像太阳这样的恒星中最为常见,它将氢融合为燃料。
电子
电子围绕着原子核运行,或围绕着原子核旅行,它们被称为原子的电子云。它们被称为原子的电子云。由于电磁力的作用,它们被吸引向原子核。电子带有负电荷,而原子核总是带有正电荷,所以它们会相互吸引。在原子核周围,有些电子比其他电子更远,处于不同的层次。这些被称为电子壳。在大多数原子中,第一个电子壳有两个电子,之后的所有电子壳都有八个电子。例外情况很少见,但确实会发生,而且很难预测。电子离原子核越远,原子核对它的拉力就越弱。这就是为什么更大的原子,有更多的电子,更容易与其他原子发生反应。原子核的电磁力不够强,无法抓住它们的电子,原子就会在小原子的强烈吸引下失去电子。
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图中显示了核聚变的主要难点,即带正电荷的质子在被迫结合在一起时,会相互排斥。
放射性衰变
有些元素和许多同位素具有所谓的不稳定核。这意味着原子核要么太大,无法将自身固定在一起,要么有太多的质子或中子。当这种情况发生时,原子核必须摆脱多余的质量或粒子。它通过辐射来实现这一目的。能做到这一点的原子可以被称为放射性原子。不稳定的原子继续具有放射性,直到它们失去足够的质量/粒子而变得稳定。所有原子序数82以上的原子(82质子,铅)都具有放射性。
放射性衰变主要有三种类型:α、β和γ。
- 阿尔法衰变是当原子射出一个有两个质子和两个中子的粒子。这本质上是一个氦核。其结果是一个元素的原子序数比以前少了两个。例如,如果铍原子(原子序数为4)经过阿尔法衰变,就会变成氦(原子序数为2)。阿尔法衰变发生在原子太大而需要摆脱一些质量的时候。
- β衰变是指中子变成质子或质子变成中子。在第一种情况下,原子射出一个电子。在第二种情况下,它是一个正电子(像电子但带正电荷)。最终的结果是一个元素的原子序数比以前高一个或低一个。β衰变发生在一个原子有太多质子或中子的情况下。
- 伽马射线衰变是指原子射出伽马射线或波。当原子核的能量发生变化时,就会发生伽马射线。这通常是在一个原子核已经经历了α或β衰变之后。质量、原子数或原子没有变化,只是核内储存的能量发生了变化。
每一种放射性元素或同位素都有所谓的半衰期。这是该类型的任何原子样本的一半需要多长时间才能衰变,直到它们成为不同的稳定同位素或元素。因此,大原子,或质子和中子数量相差很大的同位素的半衰期会很长,因为它们必须失去更多的中子才能变得稳定。
玛丽-居里发现了第一种辐射形式。她发现了这种元素,并将其命名为镭。她也是第一位获得诺贝尔奖的女性。
弗雷德里克-索迪做了一个实验,观察镭的衰变情况。他把一个样品放在灯泡里,等待它的衰变。突然,灯泡中出现了氦气(含有2个质子和2个中子),从这个实验中他发现这种辐射具有正电荷。
詹姆斯-查德威克通过观察不同类型放射性同位素的衰变产物,发现了中子。Chadwick注意到元素的原子数低于原子的总质量。他的结论是,电子不可能是额外质量的原因,因为它们几乎没有质量。
恩里科-费米,用中子向铀射去。他发现铀的衰变速度比平时快得多,并产生了大量的α和β粒子。他还认为铀变成了一种新的元素,他把它命名为赫斯佩里姆。
奥托-汉和弗里茨-斯特拉斯曼重复了费米的实验,看看是否真的产生了新元素赫斯佩里姆。他们发现了两件费米没有观察到的新事物。通过使用大量的中子,原子核会分裂,产生大量的热能。另外铀的裂变产物已经被发现:钍、钯、镭、氡和铅。
费米就注意到,一个铀原子的裂变会射出更多的中子,然后分裂出其他原子,产生连锁反应。他意识到这个过程叫做核裂变,可以产生巨大的热能。
费米的这一发现,就导致了第一颗代号为'三位一体'的核弹的研制。
问题和答案
问:什么是原子?答:原子是物质的最基本单位。它是最小的物质单位,可以与其他原子结合,形成分子和更复杂的物质,具有特定的化学性质。
问:原子有多大?
答:原子非常小,直径从0.1到0.5纳米不等,比人类头发的宽度小约10万倍。
问:构成原子的三类亚原子粒子是什么?
答:构成原子的三种亚原子粒子是质子、中子和电子。质子和中子较重,位于原子核内,而电子重量较轻,由于它们的电荷相反,通过电磁力吸引到原子核上。
问:世界上有多少种元素自然存在?
答:世界上自然存在大约92种元素。
问:当一个原子的电子比质子多或少时会发生什么?
答:如果一个原子的电子比质子多或少,它就被称为离子,并带有电荷。
问:如果原子内部的力量变得太弱,无法将它们固定在一起,会发生什么类型的变化?
答:如果原子内部的力量变得太弱,无法将它们固定在一起,它们就会变成另一种类型的原子,或者完全被摧毁;核物理学研究了这一过程。