FHSST 物理学/原子核/组成

原子的构成

希腊语 $\alpha \tau o\mu o\nu$ (原子) 意为不可分割。发现原子实际上是一个复杂的系统，可以分解成碎片，是现代物理学发展过程中最重要的步骤和转折点。

人们发现（由卢瑟福在 1911 年发现）原子由带正电荷的原子核和围绕它运动的负电荷电子组成。起初，人们试图将原子想象成我们太阳系的微观类比，其中行星围绕太阳运行。这种天真的行星模型假设在微观世界中，牛顿经典力学定律仍然有效。然而，事实并非如此。

图：15.1 概率密度 $P(r)$ 氢原子基态电子在距离质子 r 处的概率。

微观世界受量子力学支配，量子力学没有像轨迹这样的概念。相反，它描述了粒子的动力学，这些动力学由量子态描述，量子态的特征在于各种可观测量概率分布。

例如，原子中的电子不是沿着特定轨迹运动，而是沿着所有可能的轨迹运动，具有不同的概率。如果我们试图捕获这个电子，经过多次尝试后，我们会发现电子可以在原子核周围的任何地方找到，甚至非常靠近和非常远离原子核。然而，在不同距离处找到电子的概率会有所不同。令人惊讶的是：最可能的距离对应于经典轨迹！

您可以将原子内的电子想象成在原子核周围混乱地、极快地运动，以至于在我们思想的眼睛中形成一个云。在这个云的某些地方，密度更大，而在其他地方密度更小。云的密度对应于在特定位置找到电子的概率。这种密度（概率）的空间分布是我们可以使用量子力学计算出来的。对氢原子的这种计算结果如图 15.1 所示。正如上面提到的，最可能的距离（曲线的最大值）与玻尔半径一致。

任何束缚系统（如原子）的量子力学方程只有在离散的能量集$E_{1},E_{2},E_{3}\dots <math>$ 等时才存在解。例如，对于能量$E$，在这些值之间根本没有解，例如$E_{1}<E<E_{2}$。这就是为什么微观粒子束缚系统不能具有任意能量，只能处于量子态之一。每个这种状态都具有特定的能量和特定的空间配置，即概率分布。束缚量子系统可以自发地或作为与其他系统相互作用的结果，从一种量子态跃迁到另一种量子态。能量守恒定律是最基本的定律之一，它在量子世界和经典世界中同样有效。这意味着，在能量为$E_{i}$和$E_{j}$ 的状态之间发生的任何跃迁都会伴随能量$\Delta E=|E_{i}-E_{j}|$ 的发射或吸收。这就是原子发射光的方式。

电子是一个非常轻的粒子。与原子的总质量相比，它的质量可以忽略不计。例如，在所有原子中最轻的氢原子中，电子只占原子质量的 0.054%。在构成我们周围岩石的主要成分硅原子中，所有 14 个电子只占质量的 0.027%。因此，当您用手握住一块重石头时，您实际上感受到的是所有原子核的总重量。