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原子(atom)構成化學元素的基本單元和化學變化中的最小微粒,即不能用普通的化學變化再分的微粒。原子由帶正電的原子核和帶負電的核外電子組成,原子核非常小,它的體積約為整個原子體積的幾千萬億分之一,但原子質量的 99.95%以上都集中在原子核內。質量很小的電子在原子核外的空間繞核作有規 律的高速運動,原子核和核外電子相互吸引,組成中性的原子。在科學昌盛的20世紀,科學家已經能夠利用場發射顯微鏡直接觀察到原子圖像,這是證明原子存在的最有力的證據。

1 原子 -概述

原子原子

近代原子概念是在1803年由英國J.道爾頓提出的,主要內容有3點:

1.一切化學元素都是由不能再分割、不能毀滅的微粒組成的,這種微粒稱為原子。

2.同一種元素的原子的性質和 質量都相同 , 不同元素的原子的性質和質 量都不同。

3.兩種不同元素的化合作用是一種元素的一定數目的原子與另一種元素的一定數目的原子結合而形成化合物的各個分子。

自從放射性元素髮現以後,原子是可以蛻變和分裂的,因此,道爾頓關於原子不可分割的說法應該加以修正,只能說在普通的化學反應中,原子不可分。同位素的發現也改變了同一種元素的原子的性質和重量都相同的說法,因為同一種元素的各種同位素的質量是不同的。1913年英國 H.G.J. 莫塞萊提出原子序數概念,指出同一種元素的各原子的質量可能不等,由此可見,一種元素所有的原子的基本特徵仍是原子序數。

2 原子 -特點

原子,是化學元素最小組成單元,是組成分子和物質的基本單元,它具有該元素的化學性質。原子由帶正電荷的原子核和在原子核的庫侖場中運動的帶負電的電子組成。核電荷數或原子序數Z,是組成原子核的質子數。原子是非常微小的粒子。假設原子是球體的話,典型原子的直徑大約是10-8厘米, 質量大約是10-23克。原子的概念最初是由英國化學家約翰?道爾頓提出的。1803年他發表「原子說」,提出所有物質都是由原子構成。

3 原子 -構成

原子原子組成含:核子(質子,中子),電子,並隱含中微子

 原子的中心是一個微小的由核子(質子和中子)組成的原子核,佔據了整個原子的絕大部分質量。原子核中的質子和中子緊密地堆在一起,因此原子核的密度很大。質子和中子的質量大至相等,中子略高一些。質子帶正電荷,中子不帶電荷,是電中性的。所以整個原子核是帶正電荷的。原子核即使和原子相比,還是非常細小的——比原子要小100,000倍。原子的大小主要是由最外電子層的大小所決定的。如有原子是一個足球場,那原子核就是場中央的一顆綠豆。所以原子幾乎是空的,被電子佔據著。

4 原子 -性質

原子放射性衰變是某些原子核(如鈾、釷、鐳-226、鉀-40等)
固有的核特徵

電子是帶負電荷的。它們遠比質子和中子輕,質量只有質子的約1/1836。它們高速地圍著原子核運轉。電子圍繞原子核的軌道並不都一樣。

在一顆電中性的原子中,質子和電子的數目是一樣的。另一方面,中子的數目不一定等於質子的數目。帶電荷的原子叫離子。電子數目比質子小的原子帶正電荷,叫陽離子。相反的原子帶負電荷,叫陰離子。金屬元素最外層電子一般小於四個,在反應中易失去電子,趨向達到穩定的結構,成為陽離子,非金屬元素最外層電子一般多於四個,在化學反應中易得到電子,趨向達到穩定的結構,成為陰離子。

原子序決定了該原子是那個族或那類元素。例如,碳原子是那些有6顆質子的原子。所有相同原子序的原子在很多物理性質都是一樣的,所顯示的化學反應都一樣。質子和中子數目的總和叫質量數。

只有94種原子是天然存在的每種原子都有一個名稱,每個名稱都有一個縮寫。俄國化學家門捷列夫根據不同原子的化學性質將它們排列在一張表中,這就是元素周期表。為紀念門捷列夫,第101號元素被命名為鍆。首11種原子(或元素)依次為氫、氦、鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟、氖 和 鈉。它們的簡寫是H、He、Li、Be、B、C、N、O、F、Ne、Na。

5 原子 -發展史

原子德謨克列特

原子結構發展史

前400年,希臘哲學家德謨克列特提出原子的概念。

1803年,英國物理學家約翰?道爾頓提出原子說。

1833年,英國物理學家法拉第提出法拉第電解定律,表明原子帶電,且電可能以不連續的粒子存在。

1874年,司通內建議電解過程被交換的 粒子叫做電子。

1879年,克魯克斯從放電管(高電壓低氣壓的真空管)中發現陰極射線。

1886年,哥德斯坦從放電管中發現陽極射線。

1897年,英國物理學家湯姆生證實陰極射線即陰極材料上釋放出的高速電子流,並測量出電子的荷質比。e/m=1.7588×108 庫侖/克。

1909年,美國物理學家密立根的油滴實驗測出電子之帶電量,並強化了「電子是粒子」的概念。

原子α粒子散射實驗

1911年,英國物理學家盧瑟福的α粒子散射實驗,發現原子有核,且原子核帶正電、質量極大、體積很小。其條利用(粒子(即氦核)來撞擊金箔,發現大部分(99.9%)粒子直穿金箔,其中少數成大角度偏折,甚至極少數被反向折回(十萬分之一)。

1913年,英國物理學家莫塞萊分析了元素的X射線標識譜,建立原子序數的概念。

1913年,湯姆生之質譜儀測量質量數 , 並發現同位素。

1919年,拉塞褔發現質子。其利用α粒子撞擊氮原子核與發現質子,接著又用α粒子撞擊棚 (B) 、氟 (F) 、鋁  、磷 (P) 核等也都能產生質子,故推論「質子」為元素之原子核共有成分。

1932年,英國物理學家查德威克利用α粒子撞擊鈹原子核,發現了中子。

1935年,日本物理學家湯川秀樹建立了介子理論。

6 原子 -歷史及意義

原子物理學家——道爾頓

道爾頓提出原子論,標誌著近代化學發展的開始。因為化學作為一門重要的自然科學,它所要說明的現象本質正是原子的化合與化分。道爾頓的學說已抓住了這一核心和本質,主張用原子的化合與化分來說明各種化學現象和化學定律間的內在聯繫。因此無論從廣度和深度上說都是更加超過了燃燒的氧化學說。

要了解道爾頓的原子學說的提出,要溯源至古希臘時期的原子學說。古希臘的哲學家留基伯首先提出了關於原子的學說,后經他的學生德謨克利特的進一步 發展,形成了歐洲最早的樸素唯物主義的原子論,德謨克利特認為:宇宙萬物是由世界上最微小的、堅硬的、不可入、不可分的物質粒子構成的,他將這種粒叫作「原子」。他認為,原子在性質上相同,但在形狀大小上卻是多種多樣的。萬物之所以不同,就是由於萬物本身的原子在數目、形狀和排列上各有不同,就是由於萬物本身的原子在數目、形狀和排列上各有所不同。並且認為,原子總在不斷運動,運動是原子本身所因有的性質。無數的原子在空間中不斷運動、互相碰撞而形成世界及其中的事物。月、日、星辰是由原子構成的,甚至人的靈魂也是由原子構成的。由此可見,德謨克利特的原子論論證了世界的物質性,對自然界的本質提出了大膽而有創造性的臆測,比較深刻地說明了物質結構,肯定了運動是物質的屬性,因而具有重要的意義。

7 原子 -現狀

原子紅超巨星的剖面圖顯示出核合成和元素的形成

核合成

穩定的質子和電子在大爆炸后的一秒鐘內出現。在接下來的三分鐘之內,太初核合成產生了宇宙中大部分的氦、鋰和氘,有可能也產生了一些鈹和硼。在理論上,最初的原子(有束縛的電子)是在大爆炸后大約380,000 年產生的,這個時代稱為重新結合,在這時宇宙已經冷卻到足以使電子與原子核結合了.自從那時候開始,原子核就開始在恆星中通過核聚變的過程結合,產生直到鐵的元素。

地球

大部分組成地球及其居民的原子,都是在太陽系剛形成的時候就已經存在了。還有一部分的原子是核衰變的結果,它們的相對比例可以用來通過放射性定年法決定地球的年齡。大部分地殼中的氦都是α衰變的產物.

地球上有很少的原子既不是在一開始就存在的,也不是放射性衰變的結果。碳-14是大氣中的宇宙射線所產生的。有些地球上的原子是核反應堆或核爆炸的產物,要麼是特意製造的,要麼是副產物。在所有超鈾元素──原子序數大於92的元素中,只有鈈和鎿在地球中自然出現

理論形式

雖然原子序數大於82(鉛)的元素已經知道是放射性的,但是對於原子序數大於103的元素,提出了「穩定島」的概念。在這些超重元素中,可能有一個原子核相對來說比其它原子核穩定。最有可能的穩定超重元素是Ubh,它有126 個質子和184 個中子。

每一個粒子都有一個對應的反物質粒子,電荷相反。因此,正電子就是帶有正電荷的反電子,反質子就是與質子對等,但帶有負電荷的粒子。不知道什麼原因,在宇宙中反物質是非常稀少的,因此在自然界中沒有發現任何反原子。然而,1996年,在日內瓦的歐洲核子研究中心,首次合成了反氫──氫的反物質。

把原子中的質子、中子或電子用相等電荷的其它粒子代替,可以形成奇異原子。例如,可以把電子用質量更大的渺子代替,形成渺子原子。這些類型的原子可以用來測試物理學的基本預言。

8 原子 -參考文獻

[1] 《核科學概論》

[2] 陳啟新等:《教材精析精練-物質結構與性質(選修三)》,延邊教育出版社,第5~27及36頁

[3] 竺際舜等,2006年:《無機化學學習指導》,科學出版社,第87~92頁

[4] 陳榮三、黃孟建、錢可萍,1978年1月:《無機及分析化學》,人民教育出版社,第2~26頁

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