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(yǔ)：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(wú)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(wú)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(lái)自于古希臘語(yǔ)的 ατομο?（意為“不可分割的”）。而中文中，原子早前的譯名“莫破”也來(lái)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(guò)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(lái)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(ài)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(guò)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(yǔ)“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(lái)。
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(kāi)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(wú)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(lái)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(yǔ)、英語(yǔ)廣為流傳?！霸印弊鳛橐粋€(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。
艾薩克·牛頓是一個(gè)原子論者，并將原子這一概念引入他的科學(xué)研究。他對(duì)于質(zhì)量給出定義，提出了物質(zhì)組成粒子說(shuō)、光的微粒說(shuō)以及質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)系等理論模型，這都與他對(duì)于原子論的信仰有關(guān)。牛頓將原子論運(yùn)用于科學(xué)研究，這也是后世科學(xué)研究中對(duì)于原子論利用的發(fā)端。
近代原子理論
原子-分子學(xué)說(shuō)
18世紀(jì)末，在沒(méi)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(shuō)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(wú)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(lái)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(shuō)。
道爾頓的原子理論并沒(méi)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(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，即布朗運(yùn)動(dòng)。1905年5月，阿爾伯特·愛(ài)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(lái)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(jiàn)。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(guò)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(guò)庫(kù)侖定律可以得到，當(dāng)α粒子經(jīng)過(guò)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?；谠囼?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(yǔ)來(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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)?，通過(guò)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(guò)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(guò)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(ài)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(lái)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(kāi)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(jiàn)。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(wú)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(lái)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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