麻雀虽小，五脏俱全

2　麻雀虽小，五脏俱全——原子和它的内部结构

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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成为科学的理论，它是化学反应的基本微粒，原子在化学反应中不可分割。

原子直径的数量级大约是10^-10米，原子质量极小，且99.9%集中在原子核，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，每一种元素至少有一种不稳定的同位素，可以进行放射性衰变。

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道尔顿的原子模型

道尔顿的原子模型是世界上第一个原子的理论模型，英国自然科学家约翰·道尔顿将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学理论，他提出：第一，所有物质都是由非常微小的、不可再分的物质微粒即原子组成；第二，同种元素的原子的各种性质和质量都相同，不同元素的原子，主要表现为质量的不同；第三，原子是微小的、不可再分的实心球体；第四，原子是参加化学变化的最小单位，在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会被创造或者消失。经过后人证实，这是一个失败的理论模型，但道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中，明确了今后化学家们努力的方向，道尔顿也因此被后人誉为“近代化学之父”。

道尔顿及其原子模型

原子是一种元素能保持其化学性质的最小单位，原子尽管很小，用化学方法不能再分，但用其他方法仍然可以再分，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，它最早发现的是亚原子粒子，到目前为止，电子是所有粒子中最轻的。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。

随着科学研究的深入，科学家发现原子核被一种强力束缚在线度为10^-15米的区域内，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。后来科学家做实验发现了结合能，就是将核子从原子核中分离做功消耗的能量，根据这个实验发现原子核的质量总是小于其组成核子的质量，存在质量亏损。根据爱因斯坦的质能方程进行推算，可以得出如下结论：第一，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；第二，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。这就是人类新能源的理论来源，为人类开发核能做好理论准备。

法国工程师、物理学家——库仑

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原子的量子力学模型

物理学家德布罗意、薛定谔和海森堡等人，经过13年的艰苦论证，现代量子力学模型在玻尔原子模型的基础上很好地解释了许多复杂的光谱现象，其核心是波动力学。在玻尔原子模型里，轨道只有一个量子数，现代量子力学模型则引入了更多的量子数。

第一，主量子数：主量子数决定不同的电子亚层，命名为K、L、M、N、O、P、Q。

第二，角量子数：角量子数决定不同的能级，符号“l”共n个值（1，2，3，…n-1)，符号用s、p、d、f、g，表示对多电子原子来说，电子的运动状态与l有关。

第三，磁量子数决定不同能级的轨道，符号“m”，仅在外加磁场时有用。“n”“l”“m”三个量确定一个原子的运动状态。

第四，自旋磁量子数，处于同一轨道的电子有两种自旋，即“↑↓”。目前，自旋现象的实质还在探讨当中。