FHSST 物理/原子/连续电离能

连续电离能为电子排列成核心和价层提供证据

[布林克和琼斯部分：德布罗意 - 物质表现出粒子性和波动性，由戴维森和革末证明。薛定谔和海森堡将这个模型发展成量子力学]

原子核（原子核）是原子的中心。它由一个或多个质子和通常还有一些中子组成。原子核中质子的数量称为原子序数，它决定了该原子属于哪种元素（例如氢、碳、氧等）。

虽然带正电的质子会相互排斥，但原子核内粒子之间的距离很小，以至于强相互作用（它比电磁力强，但随着距离的增加衰减得更快）占主导地位。（引力微不足道，比电磁力弱 1036 倍。）

电子的发现是第一个表明原子具有内部结构的迹象。最初，人们认为这种结构符合“葡萄干饼干”或“李子布丁”模型，在这个模型中，小的带负电的电子嵌入在一个包含所有正电荷的大球体中。然而，欧内斯特·卢瑟福和马斯登在 1911 年发现，来自镭源的α粒子有时会被金箔向后散射，这表明原子中心一定存在一个密集的正电荷集中区。这一发现导致了对行星模型的接受，在这个模型中，电子像行星绕太阳运行那样绕着一个微小的原子核运行。

有趣的事实：原子这个词来源于希腊语 atomos，意为不可分割，来自 a-，表示否定，tomos，表示切。

原子是化学元素可以被分割到的最小部分，同时仍然保留其性质。原子是分子和普通物质的基本组成部分。原子由亚原子粒子组成。

原子主要由空旷的空间组成，但也包含更小的亚原子粒子。原子的中心是一个微小的带正电的原子核，它由核子（质子和中子）组成。原子的其余部分只包含相当灵活的电子层。通常，原子是电中性的，质子数量等于电子数量。

原子通常按其原子序数进行分类，原子序数对应于原子中的质子数量。例如，碳原子是指包含 6 个质子的原子。所有具有相同原子序数的原子共享多种物理特性，并表现出相同的化学行为。各种类型的原子在元素周期表中列出。具有相同原子序数但不同原子质量（由于中子数量不同）的原子称为同位素。

最简单的原子是氢原子，原子序数为 1，由一个质子和一个电子组成。它在科学界引起了很大的兴趣，特别是在量子理论的早期发展中。

原子的化学行为很大程度上取决于电子之间的相互作用。特别是最外层的电子，称为价电子，对化学行为的影响最大。核心电子（不在外层）也起作用，但通常是由于屏蔽原子核中的正电荷而产生的次要效应。

原子倾向于完全填充（或清空）外层电子层，氢和氦的外层电子层可以容纳两个电子，而其他所有原子可以容纳八个电子。这可以通过与相邻原子共享电子或完全从其他原子中移除电子来实现。当电子共享时，会在两个原子之间形成共价键。共价键是最强类型的原子键。

当一个或多个电子被另一个原子完全从一个原子中移除时，就会形成离子。离子是由于质子数和电子数不平衡而带净电荷的原子。窃取电子(s) 的离子称为阴离子，带负电荷。失去电子(s) 的原子称为阳离子，带正电荷。阳离子和阴离子由于正负电荷之间的库仑力而相互吸引。这种吸引力称为离子键，比共价键弱。

如上所述，共价键意味着电子在原子之间平等共享，而离子键意味着电子完全局限于阴离子。除了少数极端情况外，这两种图像都不是完全准确的。在大多数共价键情况下，电子是不平等共享的，它在电负性更强的原子周围停留的时间更长，导致共价键具有一定的离子性。同样，在离子键中，电子经常在电正性更强的原子周围花费一小部分时间，导致离子键具有一定的共价性。

原子模型

• 德谟克利特的形状原子模型（由于没有更好的名称）
• 李子布丁模型
• 立方原子
• 玻尔模型
• 量子力学模型

李子布丁原子模型是在发现电子后，发现质子或中子之前提出的。在这个模型中，原子被设想为电子被包围在正电荷的汤中，就像李子被包围在布丁中一样。这个模型被欧内斯特·卢瑟福的实验所推翻，因为他发现了原子的原子核。

玻尔模型是一个物理模型，它将原子描述为一个小的带正电的原子核，电子在不同能级上绕其运行，类似于太阳系的结构。由于其简单性，玻尔模型至今仍被普遍使用和教授。

在 20 世纪初，欧内斯特·卢瑟福等人的实验已经证实，原子由一个小的、密集的、带正电的原子核和周围绕行的带负电的电子组成。然而，理论预测和实验结果很快开始对经典轨道模型产生怀疑。

最简单的原子是氢原子，它由一个带正电的质子和一个带负电的绕其运行的电子组成。根据原子的轨道模型，由于原子核（质子）和电子带相反的电荷，它们会通过库仑力相互吸引，就像太阳通过引力吸引地球一样。然而，如果电子在经典轨道上绕原子核运行，它将经历向心加速度，并且根据完善的电磁理论，它应该会发射电磁辐射（光）。如果绕行的电子在绕行时辐射，它必须失去能量，因此在很短的时间内螺旋进入原子核，而这显然不会发生。

此外，当时人们已经知道原子只在某些频率下发射光 - 原子可以辐射的频率称为原子的光谱。很明显，原子发射光是由电子辐射引起的。然而，如果电子像行星一样在经典轨道上绕原子核运行，就没有理由出现光谱 - 人们会期望电子在连续频率光谱中发射辐射。很快就变得很清楚，原子的轨道描述存在严重问题。

这些困难在 1913 年由尼尔斯·玻尔解决，他提出

• (1) 绕行的电子存在于具有离散量子化能量的轨道上。也就是说，并非所有轨道都是可能的，只有特定的轨道。允许轨道的精确能量取决于所讨论的原子。
• (2) 当电子从一个允许轨道跳到另一个轨道时，经典力学定律不适用。
• (3) 当电子从一个轨道跳到另一个轨道时，能量差由一个单一的量子光（称为光子）带走（或提供），光子的频率直接取决于两个轨道的能量差。

$f=E/h$

其中 f 是光子的频率，E 是能量差，h 是一个比例常数，称为普朗克常数。定义我们可以写

其中 ?? 是光子的角频率。

• (4) 允许的轨道取决于轨道角动量 L 的量子化（离散）值，根据以下方程

其中 n = 1, 2, 3，称为角动量量子数。

这些假设解释了当时观察到的许多现象，例如为什么光谱由离散线组成。假设 4) 指出 n 的最小值为 1。这对应于最小可能的半径（对于数学，请参见 Ohanian 的《物理学原理》或任何大型的、通常是美国大学的入门物理教科书）为 0.0529 nm。这被称为玻尔半径，解释了原子为什么是稳定的。一旦电子处于最低轨道，它就不能再下降。它不能再发射任何光，因为它需要进入更低的轨道，但如果它已经处于最低允许轨道，它就做不到。

玻尔模型有时被称为半经典模型，因为尽管它包含了一些量子力学的想法，但它不是原子的完整量子力学描述。假设 2) 指出经典力学定律在量子跃迁期间不适用，但没有说明什么定律应该取代经典力学。假设 4) 指出角动量是量子化的，但没有解释为什么。

为了完全描述一个原子，我们需要使用量子力学的完整理论，该理论在玻尔模型之后由许多人在几年内制定出来。该理论将电子视为波，在原子中形成 3D 驻波模式。（这就是为什么量子力学有时被称为波动力学。）该理论认为电子是像小台球一样的粒子，围绕轨道运行的想法是荒谬的错误，相反，电子形成概率云。你可能会以一定的概率在这里找到电子；你可能会以不同的概率在那里找到它。然而，有趣的是，如果你计算出电子在最低可能能量状态下的平均半径，它正好等于玻尔半径（尽管需要更多页的数学才能计算出来）。

完整的量子力学理论是一个美丽的理论，已经过实验验证，被发现非常准确，然而，它在数学上要高级得多，而且通常使用更简单的玻尔模型，你可以获得结果，而不会有太多麻烦。要记住的是，它只是一个模型，一种理解的工具。原子并不是真正的微型太阳系。

• 另请参见：氢原子、量子力学、薛定谔方程、尼尔斯·玻尔。
• 一个互动演示 http://webphysics.davidson.edu/faculty/dmb/hydrogen/，根据完整的 QM 解，显示了氢原子中电子的概率云。