原子

原子

原子(atom)指化學反應不可再分的基本微粒,原子在化學反應中不可分割。但在物理狀態中可以分割。原子由原子核和繞核運動的電子組成。原子構成一般物質的最小單位,稱為元素。已知的元素有118種。 因此具有核式結構。

原子直徑的數量級大約是10⁻¹⁰m。原子的質量極小,一般為-27次冪,質量主要集中在質子和中子上。原子核外分布著電子,電子躍遷產生光譜,電子決定了一個元素的化學性質,並且對原子的磁性有著很大的影響。所有質子數相同的原子組成元素,每種元素大多有一種不穩定的同位素,可以進行放射性衰變。

原子最早是哲學上具有本體論意義的抽象概念,隨著人類認識的進步,原子逐漸從抽象的概念逐漸成為科學的理論。原子核以及電子屬于微觀粒子,構成原子。

原子:可以視為全能量載體,對光子、熱、電子具有邏輯作用。

  • 中文名稱
    原子
  • 外文名稱
    化學:atom 物理:atomy

基本簡介

原子是化學變化中的最小粒子。(在物理變化中還可以分解,分解成離子。註:在化學變化中不能再分解)一個原子包含有一個致密的原子核及若幹圍繞在原子核周圍帶負電的電子。原子核由帶正電的質子和電中性的中子組成。當質子數與電子數相同時,這個原子就是電中性的;否則,就是帶有正電荷或者負電荷的離子。根據質子和中子數量的不同,原子的類型也不同:質子數決定了該原子屬于哪一種元素,而中子數則確定了該原子是此元素的哪一個同位素。

原子

基本構成

電子  

原子

在一個內部接近真空、兩端封有金屬電極的玻璃管通上高壓直流電,陰極一端便會發出陰極射線。熒光屏可以顯示這種射線的方向,如果外加一個勻強電場,陰極射線會偏向陽極;又若在玻璃管內裝上轉輪,射線可以使轉輪轉動。後經證實,陰極射線是一群帶有負電荷的高速質點,即電子流。電子由此被發現。

電子是最早發現的亞原子粒子,到目前為止,電子是所有粒子中最輕的,隻有9.11×10⁻31kg,為氫原子的[1/1836.152701(37)],是密立根在1910年前後通過著名的“油滴實驗”做出的。電子帶有一個單位的負電荷,即4.8×10⁻¹⁹靜電單位或1.6×10⁻¹⁹庫倫,其體積因為過于微小,現有的技術已經無法測量。

原子

電子雲

電子具有波粒二象性,不能像描述普通物體運動那樣,肯定他在某一瞬間處于空間的某一點,而隻能指出它在原子核外某處出現的可能性(即幾率)的大小。電子在原子核各處出現的幾率是不同的,有些地方出現的幾率大,有些地方出現的幾率很小,如果將電子在核外各處出現的幾率用小黑點描繪出來(出現的幾率越大,小黑點越密),那麽便得到一種略具直觀性的圖像,這些圖像中,原子核仿佛被帶負電荷的電子雲物所籠罩,故稱電子雲。

把核外電子出現幾率相等的地方連線起來,作為電子雲的介面,使介面內電子雲出現的總幾率很大(例如90%或95%),在介面外的幾率很小,有這個介面所包括的空間範圍,叫做原子軌道,這裏的原子軌道與巨觀的軌道具有不同的含義。

原子軌道是薛定諤方程的合理解,薛定諤方程為一個二階偏微方程

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

該方程的解ψ是x、y、z的函式,寫成ψ(x,y,z)。為了更形象地描述波函式的意義,通常用球坐標來描述波函式,即ψ(r,θ,φ)=R(r)·Y(θ,φ),這裏R(r)函式是與徑向分布有關的函式,稱為徑向分布函式;Y(θ,φ)是與角度分布有關的,稱為角度分布波函式。

原子核

主條目:原子核

在α粒子散射實驗中,人們發現,原子的質量集中于一個很小且帶正電的物質中,這就是原子核。

原子核也稱作核子,由原子中所有的質子和中子組成,原子核的半徑約等于1.07×A^1/3 fm,其中A是核子的總數。原子半徑的數量級大約是105fm,因此原子核的半徑遠遠小于原子的半徑。

原子核由質子與中子組成(氫原子核隻有一個質子),中子和質子都是費米子的一種,根據量子力學中的泡利不相容原理,不可能有完全相同的兩個費米子同時擁有一樣量子物理態。因此,原子核中的每一個質子都佔用不同的能級,中子的情況也與此相同。不過泡利不相容原理並沒有禁止一個質子和一個中子擁有相同的量子態。

質子proton

質子由兩個上誇克和一個下誇克組成,帶一個單位正電荷,質量是電子質量的1836.152701(37)倍,為1.6726231(10)×10–27kg,然而部分質量可以轉化為原子結合能。擁有相同質子數的原子是同一種元素,原子序數=質子數=核電荷數=核外電子數。

原子

中子(neutron

中子是原子中質量最大的亞原子粒子,自由中子的質量是電子質量的1838.683662(40)倍,為1.6749286(10)×10^-27kg。 中子和質子的尺寸相仿,均在2.5×10^-15m這一數量級,但它們的表面並沒能精確定義。

中子由一個上誇克和兩個下誇克組成,兩種誇克的電荷相互抵銷,所以中子不顯電性,但,認為“中子不帶電”的觀點是錯誤的。

而對于某種特定的元素,中子數是可以變化的,擁有不同中子數的同種元素被稱為同位素。中子數決定了一個原子的穩定程度,一些元素的同位素能夠自發進行放射性衰變。

核力(nuclear force

原子核被一種強力束縛線上度為10^-15m的區域內。由于質子帶正電,根據庫侖定律,質子間的排斥作用本會使原子核爆裂,但,原子核中有一種力,把質子和中子緊緊束縛在一起,這種力就是核力。在一定距離內,核力遠遠大于靜電力,克服了帶正電的質子間的相互排斥。

核素圖&核素圖&

核力的作用範圍被稱作力程,作用範圍在2.5fm左右,最多不超過3fm,即,不能從一個原子核延伸到另一個原子核,因此,核力屬于短程力。

核素(nuclide

具有相同質子數和中子數的原子核稱為核素,而用x軸表示質子數;用y軸表示中子數所得到的圖像就被稱為核素圖,由圖可以發現,在x∈{0,1,2,3,…,20}時,核素圖上的函式近似y=x,但隨著質子數的增加,質子間的庫侖斥力明顯增強,原子核需要比往常更多的中子數維持原子核的未定,在x∈{21,22,23,…,112}時,函式近似為y=1.5x,中子數大于質子數。

結合能(energy of the nucleus

在原子核中,將核子從原子核中分離做功消耗的能量,被稱為結合能。實驗發現,任一原子核的質量總是小于其組成核子的質量和(這一差值被稱為質量虧損),因此,結合能可以由愛因斯坦質能方程推算:

原子

結合能=(原子核內所有質子、中子的靜止質量和-原子核靜止質量)×光速^2

平均結合能(binding e.o.t.n

一個原子核中每個核子結合能的平均值被稱作平均結合能,計算公式為:

每個核子的平均結合能=總結合能÷核子數

平均結合能越大,原子核越難被分解成單個的核子。由右圖可以看出:

①重核的平均結合能比中核小,因此,它們容易發生裂變並放出能量

②輕核的平均結合能比稍重的核的平均結合能小,因此,當輕核發生聚變時會放出能量。 

原子的範德華半徑是指在分子晶體中,分子間以範德華力結合,如稀有氣體相鄰兩原子核間距的一半。

基本性質

質量

質量數(mass number

由于質子與中子的質量相近且遠大于電子,所以用原子的質子和中子數量的總和定義相對原子質量,稱為質量數。

相對原子質量

原子的靜止質量通常用統一原子質量單位(u)來表示,也被稱作道爾頓(Da)。這個單位被定義為電中性的碳12質量的十二分之一,約為1.66×10-27kg。氫最輕的一個同位素氕是最輕的原子,重量約為1.007825u。一個原子的質量約是質量數與原子質量單位的乘積。最重的穩定原子是鉛-208,質量為207.9766521u。

摩爾mole 

就算是最重的原子,化學家也很難直接對其進行操作,所以它們通常使用另外一個單位摩爾。摩爾的定義是對于任意一種元素,一摩爾總是含有同樣數量的原子,約為6.022×10^23個。因此,如果一個元素的原子質量為1u,一摩爾該原子的質量就為0.001kg,也就是1克。例如,碳-12的原子質量是12u,一摩爾碳的質量則是0.012kg。

半徑

原子半徑

原子沒有一個精確定義的最外層,通常所說的原子半徑是根據相鄰原子的平均核間距測定的。

共價半徑

我們測得氯氣分子中兩個Cl原子的核間距為1.988Α,就把此核間距的一半,即0.994Α定為氯原子的半徑,此半徑稱為共價半徑。共價半徑為該元素單質鍵長的一半

金屬半徑

另外,我們也可以測得金屬單質比如銅中相鄰兩個銅原子的核間距,其值的一半稱為金屬半徑。

範德華半徑

指在分子晶體中,分子間以範德華力結合,如稀有氣體相鄰兩原子核間距的一半。

部分元素的原子半徑表

下表為一些元素的原子半徑(pm),資料取自《無機化學-第四版》(2000年)和j.chem.phys(1967)。

元素
半徑371221521118877706664160
元素
半徑18616014311711010499191227197
元素
半徑161145132125124124125125128133
元素
半徑122122121117114198248215181160
元素
半徑143136136133135138144149163141
元素



半徑141137133217265217



原子半徑的周期規律

元素周期表中,原子的半徑變化的大體趨勢是自上而下增加,而從左至右減少。因此,最小的原子是氫,半徑為0.28Α;最大的原子是銫,半徑為2.655Α。因為這樣的尺寸遠遠小于可見光的波長(約400~700nm),所以不能夠通過光學顯微鏡來觀測它們。然而,使用掃描隧道顯微鏡,我們能夠觀察到單個原子。

磁性

電子是一種帶電體,正如所有帶電體一樣,電子旋轉時會產生一個磁場,因此,不同的原子往往有不同的磁學特徵。

分子軌道理論可以很好地解釋分子的磁性問題,例如氧氣的順磁性。

逆磁性

一些物質的原子中電子磁矩互相抵消,合磁矩為零。當受到外加磁場作用時,電子軌道運動會發生變化,而且在與外加磁場的相反方向產生很小的合磁矩。常見的逆磁性金屬有Bi、Cu、Ag、Au。

順磁性

順磁性物質的主要特點是原子或分子中含有沒有完全抵消的電子磁矩,因而具有原子或分子磁矩。但是原子磁矩之間並無強的相互作用(一般為交換作用),因此原子磁矩在熱騷動的影響下處于無規(混亂)排列狀態,原子磁矩互相抵消而無合磁矩。但是當受到外加磁場作用時,這些原來在熱騷動下混亂排列的原子磁矩便同時受到磁場作用使其趨向磁場排列和熱騷動作用使其趨向混亂排列,因此總的效果是在外加磁場方向有一定的磁矩分量。這樣便使磁化率(磁化強度與磁場強度之比)成為正值,但數值也是很小,一般順磁物質的磁化率約為十萬分之一(10-5),並且隨溫度的降低而增大。

常見的順磁性物質有:氧氣、一氧化氮、鉑。

核性質

放射性

某些物質的原子核能發生衰變,放出我們肉眼看不見也感覺不到的射線,隻能用專門的儀器才能探測到的射線。物質的這種性質叫放射性。

衰變 

不穩定(即具有放射性)的原子核在放射出粒子及能量後可變得較為穩定,這個過程稱為衰變(Radioactive decay)。這些粒子或能量(後者以電磁波方式射出)統稱輻射(radiation)。由不穩定原子核發射出來的輻射可以是α(氦原子核)粒子、β(電子或正電子)粒子、γ射線或中子。

放射性核素在衰變過程中,該核素的原子核數目會逐漸減少。衰變至隻剩下原來質量一半所需的時間稱為該核素的半衰期(half-life)。每種放射性核素都有其特定的半衰期,由幾微秒到幾百萬年不等。

原子核由于放出某種粒子而變為新核的現象.原子核是一個量子體系,核衰變是原子核自發產生的變化,它是一個量子躍遷過程,它服從量子統計規律.對任何一個放射性核素,它發生衰變的精確時刻是不能預知的,但作為一個整體,衰變的規律十分明確.若在dt時間間隔內發生核衰變的數目為dN,它必定正比于當時存在的原子核數目N,顯然也正比于時間間隔dt

衰變有3種:α衰變 、β衰變和γ衰變。

核裂變nuclear fission

核裂變指是一個原子核分裂成幾個原子核的變化,核裂變通常由中子轟擊質量數較大的原子核引起,原子核裂變後會形成兩個質量相當的部分,並放出能量,有時會導致鏈式反應的發生。

  核聚變nuclear fusion 

當多個粒子聚集形成更重的原子核時,就會發生核聚變,例如兩個核之間的高能碰撞。常見的核聚變發生于氘與氚之間。 核聚變是指由質量小的原子,主要是指氘或氚,在一定條件下(如超高溫和高壓),發生原子核互相聚合作用,生成新的質量更重的原子核,並伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。原子核中蘊藏巨大的能量,原子核的變化(從一種原子核變化為另外一種原子核)往往伴隨著能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核,叫核裂變,如核子彈爆炸;如果是由輕的原子核變化為重的原子核,叫核聚變,如太陽發光發熱的能量來源。

在太陽的核心,質子需要3-10KeV的能量才能夠克服它們之間的相互排斥,也就是庫倫障壁,進而融合起來形成一個新的核。

光譜

主條目:原子軌道

在穩定狀態下,原子中的電子位于離核最近的軌道上,這時的原子就被稱為基態原子;電子吸收能量後躍遷到更高的軌道上,這時原子就處于激發態。由于原子的軌道是量子化的,因此原子的能量發生變化時,會吸收(放出)特定的能量,產生不同的光譜圖像,古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫(Gustav Robert Kirchhoff)和羅伯特·威廉·本生(Robert Wilhelm Bunson)最早套用這一性質對不同元素的原子進行鑒定。

焰色反應flame test

當原子的光譜落在可見光區時,肉眼就可以看見不同的顏色,這是有些元素的原子在灼燒時引起火焰顏色變化的原因,這種變化被稱為焰色反應,可以粗略地檢測某些元素原子的存在。

下表給出部分金屬(或金屬離子)焰色反應產生的顏色

類別鋰離子鈉離子鉀離子銣離子鈣離子鍶離子鋇離子銅離子
顏色紫紅淡紫磚紅洋紅黃綠

價電子

價電子是原子參與化學反應的電子數,價電子數與原子的化學性質密切相關,對于主族元素來說,價電子數等于其最外層電子數;對于副族元素,價電子數包括最外層電子數和次外層的d(有時還包括f)軌道的電子數,元素周期表中通常會用電子排布式標示一個特定元素的價電子。根據價電子的不同,元素周期表可以分為s區、p區、d區、ds區、f區。

化合價

電離能

電離能的大小反映了原子失去電子的難易。電離能愈小,原子失去電子愈易,反之同理;電離能的大小和原子的有效電荷、原子半徑和電子排布有很大關系。

第一電離能

基態氣體原子失去電子成為帶一個正電荷的氣態正離子所需的能量稱為第一電離能,一般來說,若不作說明,電離能即第一電離能。

1st~10th

以下是目前已發現所有元素的第一到第十電離能。資料來源不詳。單位:kJ/mol(千焦/摩爾)


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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