FHSST 物理/原子核/组成

原子由什么构成

希腊语 $\alpha \tau o\mu o\nu$ (原子) 表示不可分割。发现原子实际上是一个复杂的系统，可以分解成碎片，这是现代物理学发展中最重要的一步，也是一个关键转折点。

人们发现（由卢瑟福在1911年发现）原子由带正电的原子核和围绕它运动的负电子组成。起初，人们试图将原子形象化为我们太阳系的微观类似物，行星围绕太阳运动。这种简单的行星模型假设，在非常小的物体世界中，牛顿的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 $P(r)$ 表示在氢原子基态下，在距离质子 r 处找到电子的概率。

微观世界受量子力学的支配，量子力学没有轨迹的概念。相反，它用量子态描述粒子的动力学，这些量子态以各种可观测量的概率分布为特征。

例如，原子中的电子并非沿着特定轨迹运动，而是沿着所有可想象的轨迹运动，但概率不同。如果我们试图捕捉这个电子，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被发现，甚至非常靠近原子核，也可能非常远离原子核。然而，在不同距离处找到电子的概率是不同的。令人惊奇的是，最可能的距离对应于经典轨迹！

你可以将原子内部的电子想象成在原子核周围混乱地、极其快速地运动，因此对于我们的精神之眼来说，它形成了一个云。在这个云的某些地方密度更大，而在其他地方密度更薄。云的密度对应于在特定位置找到电子的概率。我们可以使用量子力学来计算这种密度（概率）的空间分布。这种计算结果在图15.1中显示，如上所述，最可能的距离（曲线的最大值）与玻尔半径一致。

任何束缚体系（如原子）的量子力学方程，只有在能量的离散集合 $E_{1},E_{2},E_{3}\dots <math>$，等等时才有解。对于介于这些值之间的能量 $E$，例如 $E_{1}<E<E_{2}$，根本没有解。这就是为什么微观粒子的束缚体系不能具有任意能量，只能处于量子态之一。每个这样的状态都具有一定的能量和特定的空间构型，即概率分布。一个束缚的量子体系可以自发地或由于与其他体系的相互作用而从一个量子态跃迁到另一个量子态。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适用。这意味着，在能量为 $E_{i}$ 和 $E_{j}$ 的状态之间的任何跃迁都伴随着能量的辐射或吸收 $\Delta E=|E_{i}-E_{j}|$。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%。在硅原子中，它们是我们周围岩石的主要成分，所有 14 个电子只占质量的 0.027%。因此，当你用手握着一块沉重的岩石时，你实际上感受的是所有它内部原子核的集体重量。