原子：定义、结构、性质与化学反应的简明概述

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。

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。

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。