2020-03-12 09:58:52
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原子

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物理概念

所属类别 :
原子分子物理
原子分子物理
编辑分类

原子(atom)指化学反应不可再分的基本微粒,原子在化学反应中不可分割。但在物理状态中可以分割。原子由原子核和绕核运动的电子组成。原子构成一般物质的最小单位,称为元素。已知的元素有118种。 因此具有核式结构。

原子直径的数量级大约是10⁻¹⁰m。原子的质量极小,一般为-27次幂,质量主要集中在质子和中子上。原子核外分布着电子,电子跃迁产生光谱,电子决定了一个元素的化学性质,并且对原子的磁性有着很大的影响。所有质子数相同的原子组成元素,每种元素大多有一种不稳定的同位素,可以进行放射性衰变。

原子最早是哲学上具有本体论意义的抽象概念,随着人类认识的进步,原子逐渐从抽象的概念逐渐成为科学的理论。原子核以及电子属于微观粒子,构成原子。

原子:可以视为全能量载体,对光子、热、电子具有逻辑作用。

基本信息

  • 中文名

    原子

  • 外文名

    化学:atom 物理:atomy

折叠 编辑本段 基本简介

原子是化学变化中的最小粒子。(在物理变化中还可以分解,分解成离子。注:在化学变化中不能再分解)一个原子包含有一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子。原子核由带正电的质子和电中性的中子组成。当质子数与电子数相同时,这个原子就是电中性的;否则,就是带有正电荷或者负电荷的离子。根据质子和中子数量的不同,原子的类型也不同:质子数决定了该原子属于哪一种元素,而中子数则确定了该原子是此元素的哪一个同位素。

折叠 编辑本段 基本构成

折叠 电子

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。

电子云

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。

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。

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

(δ^2ψ/δx^2)+(δ^2ψ/δy^2)+(δ^2ψ/δz^2)=-(8π^2)/(h^2)·(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。

折叠 原子核

主条目:原子核

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。

原子核由质子与中子组成(氢原子核只有一个质子),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。

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,克服核素图&核素图&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。

折叠 编辑本段 基本性质

折叠 质量

质量数(mass number

由于质子与中子的质量相近且远大于电子,所以用原子的质子和中子数量的总和定义相对原子质量,称为质量数。

相对原子质量

原子的静止质量通常用统一原子质量单位(u)来表示,也被称作道尔顿(Da)。这个单位被定义为电中性的碳12质量的十二分之一,约为1.66×10-27kg。氢最轻的一个同位素氕是最轻的原子,重量约为1.007825u。一个原子的质量约是质量数与原子质量单位的乘积。最重的稳定原子是铅-208,质量为207.9766521u。

摩尔mole 

就算是最重的原子,化学家也很难直接对其进行操作,所以它们通常使用另外一个单位摩尔。摩尔的定义是对于任意一种元素,一摩尔总是含有同样数量的原子,约为6.022×10^23个。因此,如果一个元素的原子质量为1u,一摩尔该原子的质量就为0.001kg,也就是1克。例如,碳-12的原子质量是12u,一摩尔碳的质量则是0.012kg。

折叠 半径

原子半径

原子没有一个精确定义的最外层,通常所说的原子半径是根据相邻原子的平均核间距测定的。

共价半径

我们测得氯气分子中两个Cl原子的核间距为1.988Α,就把此核间距的一半,即0.994Α定为氯原子的半径,此半径称为共价半径。共价半径为该元素单质键长的一半

金属半径

另外,我们也可以测得金属单质比如铜中相邻两个铜原子的核间距,其值的一半称为金属半径。

范德华半径

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。

部分元素的原子半径表

下表为一些元素的原子半径(pm),数据取自《无机化学-第四版》(2000年)和j.chem.phys(1967)。

元素
半径371221521118877706664160
元素
半径18616014311711010499191227197
元素
半径161145132125124124125125128133
元素
半径122122121117114198248215181160
元素
半径143136136133135138144149163141
元素



半径141137133217265217



原子半径的周期规律

元素周期表中,原子的半径变化的大体趋势是自上而下增加,而从左至右减少。因此,最小的原子是氢,半径为0.28Α;最大的原子是铯,半径为2.655Α。因为这样的尺寸远远小于可见光的波长(约400~700nm),所以不能够通过光学显微镜来观测它们。然而,使用扫描隧道显微镜,我们能够观察到单个原子。

折叠 磁性

电子是一种带电体,正如所有带电体一样,电子旋转时会产生一个磁场,因此,不同的原子往往有不同的磁学特性。

分子轨道理论可以很好地解释分子的磁性问题,例如氧气的顺磁性。

逆磁性

一些物质的原子中电子磁矩互相抵消,合磁矩为零。当受到外加磁场作用时,电子轨道运动会发生变化,而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。常见的逆磁性金属有Bi、Cu、Ag、Au。

顺磁性

顺磁性物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩,因而具有原子或分子磁矩。但是原子磁矩之间并无强的相互作用(一般为交换作用),因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规(混乱)排列状态,原子磁矩互相抵消而无合磁矩。但是当受到外加磁场作用时,这些原来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混乱排列,因此总的效果是在外加磁场方向有一定的磁矩分量。这样便使磁化率(磁化强度与磁场强度之比)成为正值,但数值也是很小,一般顺磁物质的磁化率约为十万分之一(10-5),并且随温度的降低而增大。

常见的顺磁性物质有:氧气、一氧化氮、铂。

折叠 核性质

放射性

某些物质的原子核能发生衰变,放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线,只能用专门的仪器才能探测到的射线。物质的这种性质叫放射性。

衰变 

不稳定(即具有放射性)的原子核在放射出粒子及能量后可变得较为稳定,这个过程称为衰变(Radioactive decay)。这些粒子或能量(后者以电磁波方式射出)统称辐射(radiation)。由不稳定原子核发射出来的辐射可以是α(氦原子核)粒子、β(电子或正电子)粒子、γ射线或中子。

放射性核素在衰变过程中,该核素的原子核数目会逐渐减少。衰变至只剩下原来质量一半所需的时间称为该核素的半衰期(half-life)。每种放射性核素都有其特定的半衰期,由几微秒到几百万年不等。

原子核由于放出某种粒子而变为新核的现象.原子核是一个量子体系,核衰变是原子核自发产生的变化,它是一个量子跃迁过程,它服从量子统计规律.对任何一个放射性核素,它发生衰变的精确时刻是不能预知的,但作为一个整体,衰变的规律十分明确.若在dt时间间隔内发生核衰变的数目为dN,它必定正比于当时存在的原子核数目N,显然也正比于时间间隔dt

衰变有3种:α衰变 、β衰变和γ衰变。

核裂变nuclear fission

核裂变指是一个原子核分裂成几个原子核的变化,核裂变通常由中子轰击质量数较大的原子核引起,原子核裂变后会形成两个质量相当的部分,并放出能量,有时会导致链式反应的发生。

核聚变nuclear fusion 

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。常见的核聚变发生于氘与氚之间。 核聚变是指由质量小的原子,主要是指氘或氚,在一定条件下(如超高温和高压),发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量,原子核的变化(从一种原子核变化为另外一种原子核)往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核,叫核裂变,如原子弹爆炸;如果是由轻的原子核变化为重的原子核,叫核聚变,如太阳发光发热的能量来源。

在太阳的核心,质子需要3-10KeV的能量才能够克服它们之间的相互排斥,也就是库伦障壁,进而融合起来形成一个新的核。

折叠 光谱

主条目:原子轨道

在稳定状态下,原子中的电子位于离核最近的轨道上,这时的原子就被称为基态原子;电子吸收能量后跃迁到更高的轨道上,这时原子就处于激发态。由于原子的轨道是量子化的,因此原子的能量发生变化时,会吸收(放出)特定的能量,产生不同的光谱图像,古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫(Gustav Robert Kirchhoff)和罗伯特·威廉·本生(Robert Wilhelm Bunson)最早应用这一性质对不同元素的原子进行鉴定。

焰色反应flame test

当原子的光谱落在可见光区时,肉眼就可以看见不同的颜色,这是有些元素的原子在灼烧时引起火焰颜色变化的原因,这种变化被称为焰色反应,可以粗略地检测某些元素原子的存在。

下表给出部分金属(或金属离子)焰色反应产生的颜色

类别锂离子钠离子钾离子铷离子钙离子锶离子钡离子铜离子
颜色紫红淡紫砖红洋红黄绿绿

折叠 价电子

价电子是原子参与化学反应的电子数,价电子数与原子的化学性质密切相关,对于主族元素来说,价电子数等于其最外层电子数;对于副族元素,价电子数包括最外层电子数和次外层的d(有时还包括f)轨道的电子数,元素周期表中通常会用电子排布式标示一个特定元素的价电子。根据价电子的不同,元素周期表可以分为s区、p区、d区、ds区、f区。

化合价

折叠 电离能

电离能的大小反映了原子失去电子的难易。电离能愈小,原子失去电子愈易,反之同理;电离能的大小和原子的有效电荷、原子半径和电子排布有很大关系。

第一电离能

基态气体原子失去电子成为带一个正电荷的气态正离子所需的能量称为第一电离能,一般来说,若不作说明,电离能即第一电离能。

1st~10th

以下是目前已发现所有元素的第一到第十电离能。数据来源不详。单位:kJ/mol(千焦/摩尔)


1st2nd3rd4th5th6th7th8th9th10th
1312.0








2372.35250.5







520.27298.111815.0






899.51757.114848.721006.6





800.62427.13659.725025.832826.7




1086.52352.64620.56222.73783147277.0



1402.328564578.17475.09444.953266.664360


1313.93388.35300.57469.210989.513326.57133084078.0

1681.03374.26050.48407.711022.715164.11786892038.1106434.3
2080.73952.361229371121771523819999.023069.5115379.5131432
495.845626910.395431335416613201172549628932141362
737.71450.77732.710542.5136301802021711256613165335458
577.51816.72744.811577148421837923326274653185338473
786.51577.13231.64355.5160911980523780292873387838726
1011.819072914.14963.66273.92126725431298723590540950
999.62252335745567004.38495.827107317193662143177
1251.2229838225158.66542936211018336043860043961
1520.62665.8393157717238878111995138424076046186
418.830524420587779759590113431494416963.748610
589.81145.44912.4649181531049612270142061819120385
633.11235.02388.67090.688431067913310152501737021726
658.81309.82652.54174.695811153313590164401853020833
650.91414283045076298.71236314530167301986022240
652.91590.62987474367028744.915455178202019023580
717.31509.0324849406990922011500187702140023960
762.51561.9295752907240956012060145802254025290
760.41648323249507670984012440152301795926570
737.11753.03395530073391040012800156001860021670
745.51957.9355555367700990013400160001920022400
906.41733.33833573179701040012900168001960023000
578.81979.329636180





7621537.53302.144119020




947.0179827354837604312310



941.020452973.741446590788014990


1139.921033470456057608550994018600

1350.82350.4356550706240757010710121382227425880
403.0263338605080685081409570131201450026740
549.51064.2413855006910876010230118001560017100
6001180198058477430897011190124501411018400
640.112702218331377529500



652.11380241637004877984712100


684.315602618448052576640.812125138601583517980
70214702850






710.216202747






719.717402997






804.418703177






731.020703361






867.81631.43616






558.31820.727045210





708.61411.82943.03930.37456




8341594.924404260540010400



869.31790269836105668682013200


1008.41845.93180






1170.42046.43099.4






375.72234.33400






502.9965.23600






538.110671850.348195940




534.410501949354763257490



5271020208637615551




533.1104021303900





540105021503970





544.5107022603990





547.1108524044120





593.4117019904250





565.8111021143839





573.0113022003990





581.0114022044100





589.3115021944120





596.7116022854120





603.41174.824174203





523.513402022.343706445




658.5144022503216





7611500







7701700







760126025103640





8401600







8801600







8701791







890.11980







1007.118103300






589.419712878






715.61450.53081.540836640




70316102466437054008520



812.1








910








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