原子|原子的发现|原子的性质|原子物理学

　　人们对原子的认识及对原子结构的探素经历了漫长的过程。

　　古代哲学家的原子观：

　　公元前5世纪，我国当时的哲学家墨翟提出了“端，体之无序Z前者也。”的观点。墨子的“端”即物质的Z小单位，有现代原子的意义，意味着他对物质的非连续性的认识。与此同时，希腊哲学家德漠克利特认为宇宙万物皆由大量极微小的、硬的、不可穿透的、不可分割的粒子所组成，他称这些粒子为原子(atom)，“atom”在希腊文中是不可分割的意思。

　　物质是由不可分割的“端”或“atom”构成的，这就是古代哲学家的原子观，这种观点只是一种哲学上的猜想、推理，没有实验根据，因而对物质结构的认识是朦胧的、幼稚的，还处于萌芽时期。

　　道尔顿的原子结构模型：

　　中世纪之后，原子概念受到了不少科学家的重视。 随着生产和自然科学的发展，原子学说也得到了发展。1803年，英国化学家道尔顿提出了“原子论”学说，其要点是：

　　1、元素是由非常微小、不可再分的微粒即原子组成。原子在一切化学变化中不可再分，并保持自己的独特性质。

　　2、同一种元素所有原子的质量、性质都完全相同。不同元素的原子质量和性质各不相同，原子质量是每一种元素的基本特征之一。

　　3、不同元素化合时，原子以简单整数比结合。和古希腊原子论不同的是道尔顿的原子论和化学分析相结合，涉及不同原子的质量和化合比例。这一理论不仅为化学，也为物理学带来深远影响。这种观点的核心是原子的不可分割性。

　　汤姆生的原子结构模型：

　　到世19纪，随着阴极射线、放射现象、射线的发现动摇了人们对道尔顿“原子论”的看法。年英国科学家汤姆SF现了电子，随着对放射性现象的深人研究，人们终于在20世纪初抛弃了原子不可分割的陈旧观念。

　　1898年汤姆生基于对原子内一定有带电微粒存在的认识，提出了原子是个带正电的球，带负电荷的电子在原子中好像西瓜籽镶嵌在西瓜中一样，原子好似一块“布满浆果的松糕”。

　　相对原子质量(Ar)是以一个碳-12原子质量的1/12作为标准，任何一种原子的平均原子质量跟一个碳-12原子质量的1/12的比值，称为该原子的相对原子质量。

　　让我们从道尔顿在18世纪末19世纪初建立的原子论说起。道尔顿根据他所建立的原子论导出了倍比定律(这时倍比定律与定比定律已经形成)，并提出了相对原子质量的概念。1803年，他规定了H的相对原子质量为1(虽然他正式发布他的原子论是在1805年)。

　　那时人们已经知道水中氢氧质量比为1:8，道尔顿无从知道水中氢氧原子的比例，他就根据思维经济原则武断地决定，水分子是由一个氢原子和一个氧原子构成的，所以氧的相对原子质量是8，道尔顿是相对原子质量测量的开山始祖。

　　H原子(准确的说是氕)是由1个质子和1个电子构成的，不含有中子。而其他原子都是既有质子也有中子的。中子的静止质量为1.6749547×10^-24g，质子的静止质量为1.6726491×10^-24g，中子是比质子重的0.138%的，这一部分就能让那些有很多中子的原子离整数差得更远(虽然有质量亏损)。

　　贝采里乌斯，他是diyi位把相对原子质量测得比较精确的化学家。他用了近二十年的时间，在极其简陋的实验室里测定了大约两千种化合物的化合量，并据此在1814～1826年的12年里连续发表了三张相对原子质量表，所列元素多达49种。

　　贝采里乌斯还发现2体积氢气与1体积氧气生成2体积水蒸汽(忽略氢键影响)，所以他认为水中氢原子数量是氧原子数量的2倍。

　　贝采里乌斯觉得氧形成的化合物比氢形成的化合物要多得多，他采用以氧的相对原子质量为100的标准，取代了道尔顿的相对原子质量标准。他纠正了很多相对原子质量的错误，比如O的相对原子质量已经是H的16倍了，H为6.64，它更符合实验事实，所以就被广大化学家采纳了。

　　1860年，康尼查罗在德国

　　原子吸收技术，也称原子吸收光谱技术。是一种定量分析方法，依据是测元素的基态原子对其特征辐射线的吸收程度，其特点是灵敏度高，重复性和选择性好，操作简单、迅速，结果准确可靠。现已广泛应用于地质、冶金、材料、石油、化工、机械、建材、农、医、环保等各个部门和领域。

　　1955年，澳大利亚的沃尔什就首先提出原子吸收应用于化学分析的见解，并在1960年沃尔什和他的同事们设计和制造出Z简单的原子吸收光谱仪这标志着世界上diyi台原子吸收光谱仪的诞生。

　　原子吸收光谱仪虽然问世于澳大利亚，但在这里却没得到真正的发展、进步，随后却在美国的帕金-埃尔默公司、英国的派氏-尤利甘姆公司、日本的岛津制作所和日立制作得到真正的发展，也正是从这时开始原子吸收分析在元素分析上占有了一席之地。

　　近几年原子吸收应用越来越广泛，在许多技术上也得到突破，并且随着其他仪器的发展，给原子吸收与其他技术联用创造了机会，在近几年其他仪器与原子吸收光谱仪开始联用，并在使用过程中取得了喜人的成果，比如FIA-AAS、GC-FAAS、LC-AAS、GC-GFAAS、HPLC-GFAAS等，原子吸收在有机物分析上取得了很大进步，相信，今后原子吸收还会有更大的发展。

　　原子吸收光谱法的原理：

　　蒸汽中待测元素的气态基态原子会吸收从光源发出的被测元素的特征辐射线，具有一定选择性，由辐射减弱的程度求得样品中被测元素的含量。

　　当辐射通过原子蒸汽，且辐射频率等于原子中电子由基态跃迁到较高能态所需要的能量的频率时，原子从入射辐射中吸收能量，产生共振吸收。

　　原子吸收光谱是由于电子在原子基态和diyi激发态之间跃迁产生的。每一种原子的能级结构均是独特的，故原子有选择性的吸收辐射频率。因此，在所有情况下，均可产生反映该种原子结构特征的原子吸收光谱。

　　原子吸收光谱法的特点：

　　原子吸收光谱法的优点

　　原子能又称“核能”。即原子核发生变化时释放的能量，如重核裂变和轻核聚变时所释放的巨大能量。放射性同位素放出的射线在YL卫生、食品保鲜等方面的应用也是原子能应用的重要方面。

　　原子能是指原子核里的核子——中子或质子，重新分配和组合时释放出来的能量，符合爱因斯坦的质能方程E=mc2。公式中的E指能量，m指质量，c指光速。由于光速十分快，所以仅仅需要一点点的质量，就会产生庞大的能量。

　　原子能目前主要有两种，聚变能与裂变能。当今的核燃料主要是铀，1公斤铀原子核全部裂变释放出来的能量约等于2700吨标准煤燃烧时所放出的化学能。

　　地球上的铀主要分为铀-238和铀-235，占比分别为99.7%和0.3%，铀的储量很低，适合开采的总量约为100万吨，且分布极不均匀。按照世界上目前的消耗来看，几十年就可以消耗完。但是在海洋这个巨大的宝库中，含有极为丰富的铀资源。

　　据估算，海洋中含铀达45亿吨，是陆地总储量的几千倍，但是海水中的铀含量是很低的，1000吨的海水中含有3克铀，也就是说，1千克的铀，需要处理33万多吨的海水。值得一提是原子能同石油一样是不可再生能源，它们的不同在于原子能是清洁能源。

　　质子一类的粒子可以加速到极高能量，因为这些粒子又小又轻。今天，加速一辆车或太空飞船至接近光速还是不可能的事，因为加速一个物体所需能量会随其质量增加。但是从另一个角度说，几个粒子内也蕴含着巨大的能量，这就是原子能。原子能的基础称为核能，大小同样和质量有关，但是和加速一定质量物体所需能量的概念完全不同。

　　德裔美国理论物理学家爱因斯坦作出过许多革命性的发现。其中之一就是他Z的质能方程：E=mc2，式中：E表示能量;m表示质量，c表示真空中的光速。爱因斯坦的理论认为，物体含有静止能量，其值可从上述方程得到。

　　这是一种具有革命性的想法，因为这种能量既不依赖于运动，也和任何我们

　　原子能级是指原子系统能量量子化的形象化表示。按照量子力学理论，可计算出原子系统的能量是量子化的，能量取一系列分立值;能量值取决于一定的量子数，因此能级用一定的量子数标记。

　　1、原子轨道

　　原子轨道，是原子运动的轨道，还是原子外层电子的运动轨道?从书本中不难发现，原子轨道实际上就是电子运动轨迹分布情况的简化描述。那么为什么叫原子轨道，而不称为电子轨道呢?

　　首先我们可以形象的理解，是核外电子在与原子核的相互作用下绕核运动，电子的运动规律与轨道特点是由原子核作用所决定，相当于原子给这些电子地方，让这些电子在“原子的地盘”上运动，因此称其为原子轨道

　　2、原子轨道与能层关系

　　在原子世界，除了氢原子和特殊的离子可以为核外单电子结构外，其他的多电子原子的电子分布遵循着“构造原理”“泡利原理”“洪特规则”这三大规律。其实上面的三大分布规律，还是基于电子拥有的能量特点。

　　在化学中，根据电子能量的不同，将核外电子所在的轨道分成了不同的能层，并且对于diyi、二、三、四、五、六、七……能层，用“K，L，M，N，O，P……”来表示。由于电子的量子化特点，能层对于电子所拥有的能量分布的表示，还是基于一定概率范围中而言。

　　对于在同一个能层中的电子，其实际拥有的能量还是有一定波动的，因此我们就在大的能层范畴下，引入了能级概念。

　　3、能层与原子能级的关系

　　能层与能级的关系是什么?打个比方，能层是楼房的楼层，那么能级就是这些楼层中的楼梯。能级有时也被称为电子亚层，从名称上就不难发现，能级是被定义在能层的下一级，是不同能层下，电子所拥有能量分布更为细化的表示。有以下3个基本结论：

　　①轨道能是能层与能级的统称，单电子体系中，电子能量分布还是遵循能层-能级系统;

　　②在多电子原子中，电子根据三大规律，首先分布在不同的能层中，在不同的能层中，电子处在不同的能级上。

　　③在多电子原

　　化合价也叫原子价，是一种元素的一个原子与其他元素的原子化合时表现出来的性质。一般的，化合价的价数等于每个该原子在化合时得失电子的数量，即该元素能达到稳定结构时得失电子的数量。这往往决定于该元素的电子排布，主要是Z外层电子排布，当然还可能涉及到次外层能达到的由亚层组成的亚稳定结构。

　　1852年，弗兰克兰在研究金属有机化合物时提出了化合价的思想：

　　在研究无机化合物的化学式时，即使是一位肤浅的观察者也会对这些化学式中的普遍对称产生深刻的印象，特别是氮、磷、锑和砷的化合物，明显地表现出这些元素形成含有3个或5个其他元素原子的化合物的倾向。正是在这样的比例中，这些元素的亲和力得到Z大满足。于是在三原子的化合物中有NO3、NI3、PO3、PCI3、SbO3、SbH3、SbCl3、AsO3、AsH3、AsCl3等等，在五原子的化合物中有NO5、NH4O、NH4I、PO5、PH4I等。上述元素原子的亲和力总是为相同数目的结合原子所满足。

　　进而，他考察了无机物的组成，认识到金属有机化合物和无机物在结合上有共性：前者金属原子只能与一定数目的基团相结合;后者一种元素的原子只能与一定数目的其他原子相结合。由此，他提出了化合力概念，揭示了元素化合力与基团化合力之间的联系，不仅是亲和力概念的发展，也是化合价概念的先声。

　　1854年，奥德林在《论酸和盐的组成》一文中提出了取代值概念，以元素符号右上角加撇表示氢被其他元素或基取代的关系，如，Fe′′、Fe′′′、Sn′、Sn′′等。

　　1857年，凯库勒提出“一元素的原子与另一元素的原子结合的数目，决定于组成原子的基数或亲和力数，如：H、CI、Br、K为一基数原子;O、S为二基数原子;N、P、As是三基数原子;C是四基数原子，并认为基数是元素的根本性质，不可变更，奠定了化合价概念的基础。

　　在化合价的思想和理论形成的初期，

　　原子时(ATI)，以物质的原子内部发射的电磁振荡频率为基准的时间计量系统。原子时的初始历元规定为1958年1月1日世界时0时，秒长定义为铯-133原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9，192，631，770周所持续的时间。这是一种均匀的时间计量系统。

　　格林尼治时间以英国首都伦敦市郊格林尼治天文台命名。1884年华盛顿国际经度会议确定格林尼治时间为国际标准时间。

　　1924年2月5日起，格林尼治天文台每隔一小时向全 球发布调时信息。格林尼治时间作为全 球通用的时间参考标准已使用120多年。如今，这一以地球自转为依据的“世界时”可能由以原子振荡周期为依据的“原子时”彻底取代。

　　20世纪70年代一项国际协议确定世界时和原子时两种时间计量系统。世界时受地球自转速度减缓影响，有一定误差;原子时用原子能级跃迁振动频率计时，1000万年误差1秒，相对jing准。为协调两种标准，格林尼治天文台1972年引入闰秒概念，人工干预原子时，即在地球自转减慢致使世界时多出1秒时，把原子时拨慢1秒。

　　对普通人而言，快一秒、慢一秒不会影响生活。对授时机构、通信、航天、电子等时间精度要求较高的领域而言，调校时间不是容易的事。例如，全 球卫星定位系统、电信网络的时间要调校精确至毫秒，如何避免误差成为不小挑战。

　　国际电信联盟定于明年1月在瑞士日内瓦表决是否以原子时替代世界时。如果表决通过，意味着全 球时间计量系统不再以地球自转为依据，仅由原子钟确定;原子时计量机构国际计量局将取代伦敦格林尼治天文台，成为新任“时间守护者”。

　　1、国际原子时基本概念

　　原子时，指的是以原子频标为基础建立的时间标准。1967年第十三届国际计量大会CGPM确定了以铯原子辐射为基础的秒长定义，即铯133原子基态的两个超精细能级间在海平面、零磁场下跃迁辐射9，192，631，770周