原子理論（有關(guān)物質(zhì)本質(zhì)的科學(xué)理論）
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原子理論
有關(guān)物質(zhì)本質(zhì)的科學(xué)理論
原子理論（英語：Atomic theory）是物理學(xué)與化學(xué)中有關(guān)物質(zhì)本質(zhì)的科學(xué)理論。與物質(zhì)無限可分的概念相反，依據(jù)原子理論，物質(zhì)是由一個(gè)個(gè)離散單元原子所構(gòu)成。
基本信息
| 中文名 | 原子理論 |
| 外文名 | Atomic theory |
| 是物理學(xué) | 與化學(xué)中有關(guān)物質(zhì)本質(zhì)的科學(xué)理論 |
| 與 | 物質(zhì)無限可分的概念相反 |
簡(jiǎn)介
原子理論
原子起初是自然哲學(xué)中的概念。西方對(duì)于原子的稱呼來自于古希臘語的 ατομο?（意為“不可分割的”）。而中文中，原子早前的譯名“莫破”也來源于此。原子這一概念由于與基督教教義抵觸一度被棄置，直到近代才被重拾。
18世紀(jì)末，在化學(xué)領(lǐng)域里，人們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)在化學(xué)變化過程中一系列可確切描述的規(guī)律。這為原子理論成為一個(gè)科學(xué)理論提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。19世紀(jì)初，道爾頓提出了他的原子理論來解釋化學(xué)中的現(xiàn)象。而有關(guān)原子是否真實(shí)存在的爭(zhēng)論，直到20世紀(jì)初愛因斯坦從分子運(yùn)動(dòng)論角度解釋布朗運(yùn)動(dòng)，并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，才真正得到肯定答案。
19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，物理學(xué)家通過一系列與電磁學(xué)和放射性有關(guān)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原本認(rèn)為“不可分割”的原子實(shí)際上是由一系列的亞原子粒子（主要有電子、質(zhì)子和中子）構(gòu)成的，而這些粒子可以各自獨(dú)立存在。由于原子被發(fā)現(xiàn)是可分的，物理學(xué)家隨即引入了一個(gè)新術(shù)語“基本粒子”以描述原子各個(gè)組分。20世紀(jì)上半葉，伴隨著對(duì)于原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的深入以及物理學(xué)界的量子革命，現(xiàn)代原子理論模型被逐步建立起來。
哲學(xué)中的原子論
主條目：原子論
古代哲學(xué)中的原子論
自然哲學(xué)中的原子論在許多文化中都有記述。中國(guó)的墨子曾提出物質(zhì)分割到一定程度就不能再分割下去了。而在西方，關(guān)于原子的哲學(xué)概念可以追溯至古希臘的哲學(xué)家，如德謨克利特、留基伯、伊壁鳩魯。古印度也存在原子論者，如耆那教開創(chuàng)者大雄。而古希臘的和古印度的原子論之間的關(guān)系，是各自獨(dú)立出現(xiàn)還是彼此間有影響，仍存在爭(zhēng)議。
原子論者認(rèn)為世界是由兩個(gè)基本部分，原子和虛空，組成。原子是不可破壞并且不會(huì)變化的，并且存在有無數(shù)種具有不同形狀和大小的原子。它們?cè)谔摽罩羞\(yùn)動(dòng)，互相碰撞。有時(shí)多個(gè)原子可能會(huì)形成一個(gè)集群，而宏觀世界物質(zhì)的多樣性來源于集群內(nèi)部原子的種類及排列方式不同。
原子概念的重拾
古希臘哲學(xué)中的原子概念由于其與基督教中認(rèn)為上帝是肉體和靈魂的創(chuàng)造者的理念相抵而被棄置數(shù)個(gè)世紀(jì)。期間偶有恢復(fù)原子論的嘗試，但都在教會(huì)的高壓下失敗。15世紀(jì)初，古希臘原子論著作殘片被發(fā)現(xiàn)，被意大利學(xué)者帶回意大利傳抄，于15世紀(jì)下半葉出版，并于17世紀(jì)被譯成法語、英語廣為流傳。“原子”作為一個(gè)自然哲學(xué)概念，在皮埃爾·伽桑狄、弗朗西斯·培根、羅伯特·波義耳、伽利略·伽利萊等人的努力下得以重拾。
近代原子理論
原子-分子學(xué)說
18世紀(jì)末，在沒有涉及原子理論的概念條件下，在化學(xué)領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)了兩條有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律：
1.化學(xué)反應(yīng)前后反應(yīng)體系的總質(zhì)量不變，也就是說反應(yīng)物與生成物的質(zhì)量相等，即質(zhì)量守恒定律。
這兩條規(guī)律為原子理論成為一個(gè)科學(xué)理論提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
1.所有的化學(xué)元素都是由一種非常小的粒子組成，即原子，這些粒子無法借由化學(xué)方法進(jìn)一步的分割。
3.如果兩種元素能形成多于一種化合物，在一種元素的質(zhì)量一定時(shí)，各種化合物中的第二種元素質(zhì)量的比例會(huì)是一個(gè)簡(jiǎn)單整數(shù)比，即倍比定律。
道爾頓根據(jù)他的原子理論，依據(jù)元素在化合物中質(zhì)量比，以氫元素的質(zhì)量為基準(zhǔn)，來估計(jì)它們的原子量。但他存在一些與現(xiàn)今公認(rèn)事實(shí)不相符的概念：1.將元素的單質(zhì)視為由元素的原子構(gòu)成。2.兩種元素間形成的最簡(jiǎn)單的化合物分子是由每種元素的一個(gè)原子構(gòu)成（所以他認(rèn)為水的分子式是HO，而非HO）。另外，他進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所使用的儀器很粗陋。這些因素造成他所得到的測(cè)量結(jié)果與現(xiàn)在的公認(rèn)值有一定的偏差。例如，1803年，他認(rèn)為氧原子的質(zhì)量是氫原子的5.5倍，因?yàn)樗麑?duì)于水做測(cè)量發(fā)現(xiàn)每得到1g的氫會(huì)得到5.5g的氧，并堅(jiān)信水的分子式是HO。1806年，他又將氧的原子量修正為7。而如果依據(jù)水現(xiàn)在公認(rèn)的分子式，氧原子和氫原子的質(zhì)量比則為16:1。
1811年，阿莫迪歐·阿伏伽德羅從原理上對(duì)于道爾頓的理論進(jìn)行了修正。阿伏伽德羅提出分子是決定物質(zhì)性質(zhì)的最小微元，分子是由原子構(gòu)成的。阿伏伽德羅所做出的修正劃清了分子和原子概念間的區(qū)別，并與道爾頓的原子理論形成了解釋物質(zhì)微觀構(gòu)成的原子—分子學(xué)說。
道爾頓的原子理論并沒有涉及到原子本身結(jié)構(gòu)的討論。有關(guān)原子本身結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代原子理論模型，直到基本粒子被發(fā)現(xiàn)以及量子的概念被引入后才被逐步建立。
分子運(yùn)動(dòng)論對(duì)于原子理論的驗(yàn)證
主條目：分子運(yùn)動(dòng)論和布朗運(yùn)動(dòng)
1821年，約翰·赫帕斯提出了氣體的內(nèi)能與氣體分子的動(dòng)能有關(guān)系。隨后，奧古斯特·卡爾·克羅尼格、魯?shù)婪颉た藙谛匏?/a>、詹姆斯·克拉克·麥克斯韋、路德維希·玻爾茲曼等人發(fā)展了分子運(yùn)動(dòng)論。這一理論從假設(shè)氣體是由不斷碰撞彼此或器壁的原子構(gòu)成的出發(fā)，解釋了氣體的宏觀性質(zhì)，如壓強(qiáng)、比熱、粘性。而分子運(yùn)動(dòng)論為支持原子真實(shí)存在提供了理論支持。
1827年，英國(guó)植物學(xué)家羅伯特·布朗觀察到飄浮在水中花粉迸出之微粒(并非花粉本身)會(huì)不停地做表面上無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，即布朗運(yùn)動(dòng)。1905年5月，阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了《熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜液體中懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)》，從分子運(yùn)動(dòng)論的角度，將布朗運(yùn)動(dòng)歸因于水分子對(duì)于花粉迸出之微粒不停的撞擊，并構(gòu)造了一個(gè)數(shù)學(xué)假想模型去描述它。這個(gè)數(shù)學(xué)模型于1908年得到了法國(guó)物理學(xué)家讓·佩蘭的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使有關(guān)原子是否真正存在的爭(zhēng)論結(jié)束。而對(duì)于原子理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證也是讓·佩蘭1926年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)原因之一。
現(xiàn)代原子理論模型
亞原子粒子的發(fā)現(xiàn)
主條目：電子和葡萄干布丁模型
在約瑟夫·湯姆孫1897年通過對(duì)于陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)電子前，原子一直被認(rèn)為是物質(zhì)的最基本組分。
克魯克斯管是內(nèi)部裝有兩個(gè)由真空隔開的電極的密封玻璃容器，當(dāng)在電極間加上電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生陰極射線。這種射線會(huì)在打在玻璃管另一端時(shí)形成一個(gè)光點(diǎn)。湯姆孫通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種射線除了在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏折（這一點(diǎn)當(dāng)時(shí)已知），在電場(chǎng)中同樣會(huì)發(fā)生偏折。通過這一點(diǎn)，他得出這種射線不是一種光，而是一種帶有負(fù)電的、非常輕的的粒子構(gòu)成的粒子流。他將這種粒子稱為“微粒”（"corpuscles"）。這種粒子后來被科學(xué)家通常稱為“電子”。
原子核的發(fā)現(xiàn)
主條目：盧瑟福模型
1909年，約瑟夫·湯姆孫的學(xué)生，歐內(nèi)斯特·盧瑟福對(duì)于葡萄干布丁模型提出了反對(duì)意見。他發(fā)現(xiàn)一個(gè)原子的正電荷和絕大部分的質(zhì)量都集中于其整體體積中一個(gè)極小的部分，而他猜想，集中的位置是原子的正中心。
在金箔實(shí)驗(yàn)中，漢斯·蓋革和歐內(nèi)斯特·馬斯登在盧瑟福指導(dǎo)下利用α粒子轟擊一片金箔，并用熒光屏觀測(cè)它們運(yùn)動(dòng)軌跡的偏折情況。如果電子質(zhì)量非常小，α粒子動(dòng)量非常大，而正電荷在原子中像葡萄干布丁模型中假定的那樣均勻分布，那么在實(shí)驗(yàn)中，所有的α粒子在通過金箔時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡都不會(huì)產(chǎn)生明顯的偏折。而令他們驚訝的是，少數(shù)α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了大角度偏折。因而，可以證實(shí)原子的絕大部分質(zhì)量都集中在其中一個(gè)微元中（即“原子核”）。但還不能對(duì)這一個(gè)微元的電性做出定論，其可以是電中性的，也可以不是。通過庫侖定律可以得到，當(dāng)α粒子經(jīng)過電中性的質(zhì)點(diǎn)附近時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡并不會(huì)發(fā)生偏折；但如果這個(gè)質(zhì)點(diǎn)帶正電的話，就會(huì)發(fā)生偏折。而盧瑟福分析，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明后者是正確的。
盧瑟福基于試驗(yàn)的結(jié)果提出了原子的行星模型。在這一模型中，電子像“行星”那樣環(huán)繞在一個(gè)體積極小的、集中原子所有正電的原子核周圍，因?yàn)橹挥姓姾杉蟹植疾抛阋援a(chǎn)生導(dǎo)致α粒子運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生大角度偏折的電場(chǎng)。
同位素的發(fā)現(xiàn)
主條目：同位素
1913年，放射化學(xué)家弗雷德里克·索迪在對(duì)放射性衰變產(chǎn)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)在元素周期表的同一個(gè)格內(nèi)可能包含有不止一個(gè)元素。隨后瑪格麗特·托德創(chuàng)造了“同位素”這一術(shù)語來稱呼具有這樣關(guān)系的元素。
同年，約瑟夫·湯姆孫進(jìn)行了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中他令氖離子流傳過電磁場(chǎng)，最終打在一個(gè)感光板上。在感光版上有兩個(gè)光斑，而這意味著存在兩種不同的偏轉(zhuǎn)軌跡。湯姆孫將其歸結(jié)為氖離子流中包含有不同質(zhì)量的氖離子。而不同氖離子間會(huì)存在質(zhì)量差異這一現(xiàn)象在1932年中子被發(fā)現(xiàn)后得到了解釋。
核子的發(fā)現(xiàn)
主條目：原子核
1917年，盧瑟福用α粒子轟擊氮?dú)?/a>，并觀察到氣體中放射出氫核（盧瑟福會(huì)注意到這一點(diǎn)，是因?yàn)榇饲八谟忙亮Ｗ愚Z擊氫氣時(shí)在產(chǎn)物中也發(fā)現(xiàn)了氫核）。盧瑟福提出放出的氫核來自于氮核（實(shí)際上，他分裂了氮核）。
而從他自己及他的學(xué)生玻爾和亨利·莫塞萊的研究工作中，他得知任何一種原子內(nèi)部的總正電荷總是氫核所帶電荷的整數(shù)倍。同時(shí)，當(dāng)時(shí)測(cè)定的許多元素的原子量依據(jù)普勞特假定都近似等于氫的原子量整數(shù)倍。由此可以看出氫原子是最輕的原子。由此，他總結(jié)道，氫核是一種單一粒子并且是所有原子核的一種基本組分。他將這種粒子命名為質(zhì)子。而通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，盧瑟福發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的原子的質(zhì)量要比其中包含的質(zhì)子的總質(zhì)量大得多，他推測(cè)多出的質(zhì)量來源于當(dāng)時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)的一種電中性的粒子，并將其暫稱為“中子”。
1928年，瓦爾特·博特在用α粒子轟擊鈹時(shí)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了一種具有高穿透性，且電中性的射線。隨后發(fā)現(xiàn)這種射線照射石蠟時(shí)，可以放射出質(zhì)子。起初，它被認(rèn)為是高能γ射線，因?yàn)?/span>γ射線可以類似地將金屬中電子轟出。但詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)，如果它是一種電磁輻射，那么在至少滿足能量和動(dòng)量守恒條件下，它的電離作用過于強(qiáng)勁。1932年，查德威克用這種射線照射幾種元素的單質(zhì)，如氫氣、氮?dú)猓ㄟ^測(cè)量反沖的帶電粒子所帶能量，他推斷這種射線實(shí)際上是由一種電中性的粒子構(gòu)成；這種粒子并不像γ射線那樣靜質(zhì)量為零，而是具有與質(zhì)子相似的質(zhì)量。由此，他提出這種粒子就是盧瑟福所預(yù)測(cè)存在的“中子”。而由于發(fā)現(xiàn)了中子，1935年，他獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
量子概念的初步引入
主條目：玻爾模型
原子的行星模型有兩個(gè)明顯缺陷：
1.電子是帶電的，這一點(diǎn)與環(huán)繞恒星的行星不同。而依據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中的拉莫爾方程，速度不斷變化的電荷會(huì)發(fā)射出電磁波，在這過程中電荷會(huì)逐漸散失能量，而行星模型中電子在軌道上運(yùn)行會(huì)發(fā)生這一過程，從而螺旋式地靠近原子核，最終在極短時(shí)間內(nèi)撞擊原子核。
2.它并不能解釋實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得到的原子的發(fā)射光譜及吸收光譜中為何會(huì)呈現(xiàn)為幾個(gè)離散峰值的譜線。在經(jīng)典物理學(xué)中，能量是連續(xù)變化的，因而光譜應(yīng)該是連續(xù)的。
20世紀(jì)初，量子論引起物理學(xué)的一場(chǎng)革命。“量子”這一概念最早由馬克斯·普朗克引入，用以解釋黑體輻射；他提出，能量并非像經(jīng)典力學(xué)中那樣連續(xù)變化，而是以一個(gè)個(gè)各自離散的單元，即能量的量子形式發(fā)射或吸收。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦將這一概念引入到光學(xué)，成功解釋了光電效應(yīng)。1913年，尼爾斯·玻爾引用這一概念建立了原子的玻爾模型。在玻爾模型中，電子只能在一系列特定的的軌道上運(yùn)動(dòng)，其能量以及角動(dòng)量也具有一系列特定的、離散的數(shù)值，而其軌道半徑與它具有的能量成比例。這模型禁止電子發(fā)生螺旋式靠近原子核的情形，因?yàn)樗荒苓B續(xù)性地失去或獲得能量，只能在不同能級(jí)間做瞬時(shí)躍遷。在發(fā)生躍遷時(shí)，會(huì)發(fā)射或吸收具有對(duì)應(yīng)能量的光子。同時(shí)，這個(gè)模型也為氫原子光譜提供了理論解釋。
玻爾模型存在一定的理論缺陷：它只能解釋氫原子的光譜，對(duì)于多電子原子的光譜的解釋并不成功。隨著分光成象技術(shù)進(jìn)一步完善，氫光譜亦出現(xiàn)了玻爾模型所不能解釋的譜線。1916年，阿諾·索末菲將玻爾模型中電子的圓軌道推廣為橢圓軌道來解釋氫光譜新出現(xiàn)的譜線，但這令模型變得復(fù)雜、難以應(yīng)用，并且仍不能用在多電子原子的情形中。
量子化的原子理論模型
主條目：原子軌域
1924年，路易·德布羅意提出所有運(yùn)動(dòng)的粒子（特別是像電子這樣的亞原子粒子）在一定程度上具有波的特征。受到這一想法的啟發(fā)，埃爾溫·薛定諤開始探究電子的運(yùn)動(dòng)行為：以波的形式去表述，是否會(huì)比以粒子的形式表述更為貼切。而在1926年所發(fā)表的薛定諤方程里，他將電子以波函數(shù)的方式去描述，而不再將其表述為點(diǎn)粒子。這種表述方法解釋了許多玻爾模型所不能解釋的現(xiàn)象。盡管波函數(shù)的概念在數(shù)學(xué)上非常簡(jiǎn)潔，但是它的物理圖像是難以想象的，因而在當(dāng)時(shí)遭遇到一些反對(duì)意見。馬克斯·玻恩提出波函數(shù)描述的不是電子自身的狀態(tài)，而是它所有可能的狀態(tài)，因而可用于計(jì)算電子在核周圍某一位置出現(xiàn)的概率。這調(diào)和了兩種對(duì)立的描述電子方式，將它描述為波還是將它描述為粒子，并由此引入了波粒二象性理論。這一理論提出電子既具有波的屬性，比如它可以發(fā)生衍射；又具有粒子的屬性，比如它有質(zhì)量。
而將電子以波函數(shù)描述的一個(gè)后果就是，從數(shù)學(xué)上無法同時(shí)給出一個(gè)電子的位置和動(dòng)量，即維爾納·海森堡于1927年發(fā)表的不確定性原理。根據(jù)玻爾模型，電子具有簡(jiǎn)潔、并可以完全確定的軌道，這論點(diǎn)不兼容于不確定性原理，至此，玻爾模型迅速被新理論淘汰。原子的現(xiàn)代模型根據(jù)電子在某一位置出現(xiàn)的概率來描述一個(gè)原子內(nèi)電子可能出現(xiàn)的位置。一個(gè)電子可以在距核任意距離的位置被發(fā)現(xiàn)，但取決于其所處能級(jí)，它會(huì)在一個(gè)特定的區(qū)域出現(xiàn)得特別頻繁，這一位置稱為它所處的軌域。不同軌域可能具有不同形狀，例如球形、啞鈴形或環(huán)形等等，但都以原子核為中心。
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