原子（atom）指化学反应不可再分的基本微粒，原子在化学反应中不可分割。但在物理状态中可以分割。原子由原子核和绕核运动的电子组成。原子构成一般物质的最小单位，称为元素。已知的元素有118种。 因此具有核式结构。

概述

近代原子概念是在1803年由英国J.道尔顿提出的，主要内容有3点：

1.一切化学元素都是由不能再分割、不能毁灭的微粒组成的，这种微粒称为原子。

2.同一种元素的原子的性质和 质量都相同 ， 不同元素的原子的性质和质 量都不同。

3.两种不同元素的化合作用是一种元素的一定数目的原子与另一种元素的一定数目的原子结合而形成化合物的各个分子。

自从放射性元素发现以后，原子是可以蜕变和分裂的，因此，道尔顿关于原子不可分割的说法应该加以修正，只能说在普通的化学反应中，原子不可分。同位素的发现也改变了同一种元素的原子的性质和重量都相同的说法，因为同一种元素的各种同位素的质量是不同的。1913年英国 H.G.J. 莫塞莱提出原子序数概念，指出同一种元素的各原子的质量可能不等，由此可见，一种元素所有的原子的基本特征仍是原子序数。

定义

化学变化中的最小微粒

物理中物质构成的最基本粒子

性质

①原子的质量非常小

②不停地作无规则运动

③原子间有间隔

④同种原子性质相同，不同种原子性质不相同

特点

原子，是化学元素最小组成单元，是组成分子和物质的基本单元，它具有该元素的化学性质。原子由带正电荷的原子核和在原子核的库仑场中运动的带负电的电子组成。核电荷数或原子序数Z，是组成原子核的质子数。原子是非常微小的粒子。假设原子是球体的话，典型原子的直径大约是10-8厘米， 质量大约是10-23克。原子的概念最初是由英国化学家约翰?道尔顿提出的。1803年他发表“原子说”，提出所有物质都是由原子构成。

构成

原子的中心是一个微小的由核子(质子和中子)组成的原子核，占据了整个原子的绝大部分质量。原子核中的质子和中子紧密地堆在一起，因此原子核的密度很大。质子和中子的质量大至相等，中子略高一些。质子带正电荷，中子不带电荷，是电中性的。所以整个原子核是带正电荷的。原子核即使和原子相比，还是非常细小的——比原子要小100,000倍。原子的大小主要是由最外电子层的大小所决定的。如有原子是一个足球场，那原子核就是场中央的一颗绿豆。所以原子几乎是空的，被电子占据着。

性质

电子是带负电荷的。它们远比质子和中子轻，质量只有质子的约1/1836。它们高速地围著原子核运转。电子围绕原子核的轨道并不都一样。

在一颗电中性的原子中，质子和电子的数目是一样的。另一方面，中子的数目不一定等于质子的数目。带电荷的原子叫离子。电子数目比质子小的原子带正电荷，叫阳离子。相反的原子带负电荷，叫阴离子。金属元素最外层电子一般小于四个，在反应中易失去电子，趋向达到稳定的结构，成为阳离子，非金属元素最外层电子一般多于四个，在化学反应中易得到电子，趋向达到稳定的结构，成为阴离子。

原子序决定了该原子是那个族或那类元素。例如，碳原子是那些有6颗质子的原子。所有相同原子序的原子在很多物理性质都是一样的，所显示的化学反应都一样。质子和中子数目的总和叫质量数。

只有94种原子是天然存在的每种原子都有一个名称，每个名称都有一个缩写。俄国化学家门捷列夫根据不同原子的化学性质将它们排列在一张表中，这就是元素周期表。为纪念门捷列夫，第101号元素被命名为钔。首11种原子（或元素）依次为氢、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖 和 钠。它们的简写是H、He、Li、Be、B、C、N、O、F、Ne、Na。

发展史

早期历史

关于物质是由离散单元组成且能够被任意分割的概念流传了上千年，但这些想法只是基于抽象的、哲学的推理，而非实验和实验观察。随着时间的推移以及文化及学派的转变，哲学上原子的性质也有着很大的改变，而这种改变往往还带有一些精神因素。尽管如此，对于原子的基本概念在数千年后仍然被化学家们采用，因为它能够很简明地阐述一些化学界的现象。原子论是元素派学说中最简明、最具科学性的一种理论形态。英国自然科学史家丹皮尔认为，原子论在科学上

“要比它以前或以后的任何学说都更接近于现代观点”。原子论的创始人是古希腊人留基伯（公元前500—约公元前440年），他是德谟克利特的老师。古代学者在论及原子论时,通常是把他们俩人的学说混在一起的。留基伯的学说由他的学生德谟克利特发展和完善,因此德谟克利特被公认为原子论的主要代表。

德谟克利特认为,万物的本原或根本元素是“原子”和“虚空”。“原子”在希腊文中是“不可分”的意思。德谟克利特用这一概念来指称构成具体事物的最基本的物质微粒。原子的根本特性是“充满和坚实”,即原子内部没有空隙,是坚固的、不可入的,因而是不可分的。德谟克利特认为,原子是永恒的、不生不灭的;原子在数量上是无限的;原子处在不断的运动状态中,它的惟一的运动形式是“振动”;原子的体积微小,是眼睛看不见的,即不能为感官所知觉,只能通过理性才能认识。

经过二十几个世纪的探索，科学家在17世纪~18世纪通过实验，证实了原子的真实存在。19世纪初英国化学家J.道尔顿在进一步总结前人经验的基础上，提出了具有近代意义的原子学说。这种原子学说的提出开创了化学的新时代，他解释了很多物理、化学现象。

原子是一种元素能保持其化学性质的最小单位。一个原子包含有一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子。原子核由带正电的质子和电中性的中子组成。原子是化学变化的最小粒子，分子是由原子组成的，许多物质是由原子直接构成的

原子的英文名是从希腊语转化而来，原意为不可切分的。很早以前，希腊和印度的哲学家就提出了原子的不可切分的概念。17和18世纪时，化学家发现了物理学的根据：对于某些物质，不能通过化学手段将其继续的分解。19世纪晚期和20世纪早期，物理学家发现了亚原子粒子以及原子的内部结构，由此证明原子并不是不能进一步切分。量子力学原理能够为原子提供很好的模型。

近代史

1661年，自然哲学家罗伯特·波义耳出版了《怀疑的化学家》（The Sceptical Chemist）一书，他认为物质是由不同的“微粒”或原子自由组合构成的，而并不是由诸如气、土、火、水等基本元素构成。恩格斯认为，波义耳是最早把化学确立为科学的化学家。

1789年，法国贵族，拉瓦锡定义了原子一词，从此，原子就用来表示化学变化中的最小的单位。

1803年，英语教师及自然哲学家约翰·道尔顿（John Dalton）用原子的概念解释了为什么不同元素总是呈整数倍反应，即倍比定律（law of multiple proportions）；也解释了为什么某些气体比另外一些更容易溶于水。他提出每一种元素只包含唯一一种原子，而这些原子相互结合起来就形成了化合物。

1827年，英国植物学家罗伯特·布朗（Botanist Robert Brown)在使用显微镜观察水面上灰尘的时候，发现它们进行着不规则运动，进一步证明了微粒学说。后来，这一现象被称为为布朗运动。

1877年，德绍尔克思（J. Desaulx）提出布朗运动是由于水分子的热运动而导致的。

1897年，在关于阴极射线的工作中，物理学家约瑟夫·汤姆生（J.J.Thomsom）发现了电子以及它的亚原子特性，粉碎了一直以来认为原子不可再分的设想。汤姆生认为电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。这也叫做葡萄干蛋糕模型(枣核模型）。

1905年，爱因斯坦提出了第一个数学分析的方法，证明了德绍尔克思的猜想。

1909年，在物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)的指导下，菲利普·伦纳德（P.E.A.Lenard）用氦离子轰击金箔。发现有很小一部分离子的偏转角度远远大于使用汤姆生假设所预测值。卢瑟福根据这个金铂实验的结果指出：原子中大部分质量和正电荷都集中在位于原子中心的原子核当中，电子则像行星围绕太阳一样围绕着原子核。带正电的氦离子在穿越原子核附近时，就会被大角度的反射。这就是原子核的核式结构。

1913年，在进行有关对放射性衰变产物的实验中，放射化学家弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）发现对于元素周期表中的每个位置，往往存在不只一种质量数的原子。玛格丽特·陶德创造了同位素一词，来表示同一种元素中不同种类的原子。在进行关于离子气体的研究过程中，汤姆生发明了一种新技术，可以用来分离不同的同位素，最终导致了稳定同位素的发现[；同年，物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）重新省视了卢瑟福的模型，并将其与普朗克及爱因斯坦的量子化思想联系起来，他认为电子应该位于原子内确定的轨道之中，并且能够在不同轨道之间跃迁，而不是像先前认为那样可以自由的向内或向外移动。电子在这些固定轨道间跃迁时，必须吸收或者释放特定的能量。这种电子跃迁的理论能够很好的解释氢原子光谱中存在的固定位置的线条，并将普朗克常数与氢原子光谱的里德伯常量取得了联系。

1916年，德国化学家柯塞尔（Kossel）在考察大量事实后得出结论：任何元素的原子都要使最外层满足8电子稳定结构。路易士发现化学键的本质就是两个原子间电子的相互作用

1919年，物理学家卢瑟福在α粒子（氦原子核）轰击氮原子的实验中发现质子。弗朗西斯·威廉·阿斯顿（Francis William Aston）使用质谱证实了同位素有着不同的质量，并且同位素间的质量差都为一个整数，这被称为整数规则。美国化学家欧文·朗缪尔提出原子中的电子以某种性质相互连接或者说相互聚集。一组电子占有一个特定的电子层。

1923年，美国化学家吉尔伯特·牛顿·路易斯（G.N.Lewis）发展了柯赛尔的理论，提出共价键的电子对理论[7]。路易斯假设：在分子中来自于一个原子的一个电子与另一个原子的一个电子以“电子对”的形式形成原子间的化学键。这在当时是一个有悖于正统理论的假设，因为库仑定律表明，两个电子间是相互排斥的，但路易斯这种设想很快就为化学界所接受，并导致原子间电子自旋相反假设的提出。

1926年，薛定谔（Erwin Schrödinger）使用路易斯·德布罗意（Louis de Broglie）于1924年提出的波粒二象性的假说，建立了一个原子的数学模型，用来将电子描述为一个三维波形。但是在数学上不能够同时得到位置和动量的精确值。沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）提出了著名的测不准原理。这个概念描述的是，对于测量的某个位置，只能得到一个不确定的动量范围，反之亦然。尽管这个模型很难想像，但它能够解释一些以前观测到却不能解释的原子的性质，例如比氢更大的原子的谱线。因此，人们不再使用玻尔的原子模型，而是将原子轨道视为电子高概率出现的区域（电子云）。质谱的发明使得科学家可以直接测量原子的准确质量。该设备通过使用一个磁体来曲一束离子，而偏转量取决于原子的质荷比。弗朗西斯·阿斯顿使用质谱证实了同位素有着不同的质量，并且同位素间的质量差都为一个整数，这被称为整数规则。

1930年，科学家发现，α射线轰击铍-9时，会产生一种电中性，拥有极强穿透力的射线，最初，这被认为是γ射线。

1932年，约里奥·居里夫妇发现，这种射线能从石蜡中打出质子；同年，卢瑟福的学生詹姆斯·查得威克（James Chadwick）认定这就是中子，而同位素则被重新定义为有着相同质子数与不同中子数的元素。

1950年，随着粒子加速器及粒子探测器的发展，科学家们可以研究高能粒子间的碰撞。他们发现中子和质子是强子的一种，由更小的夸克微粒构成。核物理的标准模型也随之发展，能够成功的在亚原子水平解释整个原子核以及亚原子粒子之间的相互作用。

1985年，朱棣文及其同事在贝尔实验室开发了一种新技术，能够使用激光来冷却原子。威廉·丹尼尔·菲利普斯团队设法将纳原子置于一个磁阱中。这两个技术加上由克洛德·科昂-唐努德日团队基于多普勒效应开发的一种方法，可以将少量的原子冷却至微开尔文的温度范围，这样就可以对原子进行很高精度的研究，为玻色-爱因斯坦凝聚的发现奠定了基础。

历史上，因为单个原子过于微小，被认为不能够进行科学研究。2012年，科学家已经成功使用一单个金属原子与一个有机配体连接形成一个单电子晶体管。 在一些实验中，通过激光冷却的方法将原子减速并捕获，这些实验能够带来对于物质更好的理解。

发展史

道尔顿的原子模型

英国自然科学家约翰·道尔顿将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学理论，提出了世界上第一个原子的理论模型。他的理论主要有以下四点：

①所有物质都是由非常微小的、不可再分的物质微粒即原子组成

②同种元素的原子的各种性质和质量都相同，不同元素的原子，主要表现为质量的不同

③原子是微小的、不可再分的实心球体

④原子是参加化学变化的最小单位，在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会被创造或者消失。

虽然，经过后人证实，这是一个失败的理论模型，但道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中，明确了今后化学家们努力的方向，化学真正从古老的炼金术中摆脱出来，道尔顿也因此被后人誉为“近代化学之父”。

葡萄干布丁模型（枣核模型）

葡萄干布丁模型（枣核模型）由汤姆生提出，是第一个存在着亚原子结构的原子模型。

汤姆生在发现电子的基础上提出了原子的葡萄干布丁模型（枣核模型），汤姆生认为：

①正电荷像流体一样均匀分布在原子中，电子就像葡萄干一样散布在正电荷中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消

②在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。

汤姆生的学生卢瑟福完成的α粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了葡萄干布丁模型（枣核模型）的正确性。

土星模型

在汤姆生提出葡萄干布丁模型同年，日本科学家提出了土星模型，认为电子并不是均匀分布，而是集中分布在原子核外围的一个固定轨道上。

行星模型

行星模型由卢瑟福在提出，以经典电磁学为理论基础，主要内容有：

①原子的大部分体积是空的；

②在原子的中心有一个体积很小、密度极大的原子核；

③原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行高速的绕核运动。

随着科学的进步，氢原子线状光谱的事实表明行星模型是不正确的。

玻尔的原子模型

为了解释氢原子线状光谱这一事实，卢瑟福的学生玻尔接受了普朗克的量子论和爱因斯坦的光子概念在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型。玻尔原子结构模型的基本观点是：

①原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道（orbit)上绕原子核运动，不辐射能量

②在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），且能量是量子化的，轨道能量值依n（1，2，3，。..）的增大而升高，n称为量子数。而不同的轨道则分别被命名为K（n=1)、L(n=2)、M(n=3)、N(n=4)、O(n=5)、P（n=6）、Q（n=7)。

③当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了光谱。

玻尔的原子模型很好的解释了氢原子的线状光谱，但对于更加复杂的光谱现象却无能为力。

现代量子力学模型

物理学家德布罗意、薛定谔和海森堡等人，经过13年的艰苦论证，在现代量子力学模型在玻尔原子模型的基础上很好地解释了许多复杂的光谱现象，其核心是波动力学。在玻尔原子模型里，轨道只有一个量子数（主量子数），现代量子力学模型则引入了更多的量子数（quantum number)。

①主量子数（principal quantum number)，主量子数决定不同的电子亚层，命名为K、L、M、N、O、P、Q

②角量子数(angular quantum number)，角量子数决定不同的能级，符号“l”共n个值（1，2，3，...n-1)，符号用s、p、d、f、g，表示对多电子原子来说，电子的运动状态与l有关。

③磁量子数（magnetic quantum number)磁量子数决定不同能级的轨道，符号“m”（见下文“磁矩”）。仅在外加磁场时有用。“n”“l”“m”三个量确定一个原子的运动状态。

④自旋磁量子数（spin m.q.n.）处于同一轨道的电子有两种自旋，即“↑↓”自旋现象的实质还在探讨当中。

历史意义

要了解道尔顿的原子学说的提出，要溯源至古希腊时期的原子学说。古希腊的哲学家留基伯首先提出了关于原子的学说，后经他的学生德谟克利特的进一步 发展，形成了欧洲最早的朴素唯物主义的原子论，德谟克利特认为：宇宙万物是由世界上最微小的、坚硬的、不可入、不可分的物质粒子构成的，他将这种粒叫作“原子”。他认为，原子在性质上相同，但在形状大小上却是多种多样的。万物之所以不同，就是由于万物本身的原子在数目、形状和排列上各有不同，就是由于万物本身的原子在数目、形状和排列上各有所不同。并且认为，原子总在不断运动，运动是原子本身所因有的性质。无数的原子在空间中不断运动、互相碰撞而形成世界及其中的事物。月、日、星辰是由原子构成的，甚至人的灵魂也是由原子构成的。由此可见，德谟克利特的原子论论证了世界的物质性，对自然界的本质提出了大胆而有创造性的臆测，比较深刻地说明了物质结构，肯定了运动是物质的属性，因而具有重要的意义。

基本构成

亚原子粒子

尽管原子的英文名称（atom）本意是不能被进一步分割的最小粒子，但是，随着科学的发展，原子被认为是由电子、质子、中子（氢原子由质子和电子构成）构成，它们被统称为亚原子粒子。几乎所有原子都含有上述三种亚原子粒子，但氕（氢的同位素）没有中子，其离子（失去电子后）只是一个质子。

质子带有一个正电荷，质量是电子质量的1836倍，为1.6726×10^-27 kg，然而部分质量可以转化为原子结合能。中子不带电荷，自由中子的质量是电子质量的1839倍，为1.6929×10^-27 kg。中子和质子的尺寸相仿，均在2.5×10^-15 m这一数量级，但它们的表面并没能精确定义。

原子尽管很小，用化学方法不能再分，但用其他方法仍然可以再分，因为原子也有一定的构成。原子是由中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的（反物质相反），原子核是由质子和中子两种粒子构成的，电子在核外较大空间内做高速运动。

在物理学标准模型理论中，质子和中子都由名叫夸克的基本粒子构成。夸克是费米子的一种，也是构成物质的两个基本组分之一。另外一个基本组份被称作是轻子，电子就是轻子的一种。夸克共有六种，每一种都带有分数的电荷，不是+2/3就是-1/3。质子就是由两个上夸克和一个下夸克组成，而中子则是由一个上夸克和两个下夸克组成。这个区别就解释了为什么中子和质子电荷和质量均有差别。夸克由强相互作用结合在一起的，由胶子作为中介。胶子是规范玻色子的一员，是一种用来传递力的基本粒子。

亚原子粒子具有量子化特征和波粒二象性，公式表述为：λ=h/p=h/mv，式中λ为波长，p为动量，h为普朗克常数（ 6.626×10^-34 J·S)。

电子

在一个内部接近真空、两端封有金属电极的玻璃管通上高压直流电，阴极一端便会发出阴极射线。荧光屏可以显示这种射线的方向，如果外加一个匀强电场，阴极射线会偏向阳极；又若在玻璃管内装上转轮，射线可以使转轮转动。后经证实，阴极射线是一群带有负电荷的高速质点，即电子流。电子由此被发现。

电子是最早发现的亚原子粒子，到目前为止，电子是所有粒子中最轻的，只有kg，为氢原子的[1/1836.152701(37)]，是密立根在1910年前后通过著名的“油滴实验”做出的。电子带有一个单位的负电荷，即4.8×10^-19静电单位或1.6×10^-19库伦，其体积因为过于微小，现有的技术已经无法测量。

现代物理学认为，电子属于轻子的一种是构成物质的基本单位之一（另一种为夸克）。

电子云

电子具有波粒二象性，不能像描述普通物体运动那样，肯定他在某一瞬间处于空间的某一点，而只能指出它在原子核外某处出现的可能性（即几率）的大小。电子在原子核各处出现的几率是不同的，有些地方出现的几率大，

有些地方出现的几率很小，如果将电子在核外各处出现的几率用小黑点描绘出来（出现的几率越大，小黑点越密），那么便得到一种略具直观性的图像，这些图像中，原子核仿佛被带负电荷的电子云物所笼罩，故称电子云。

在一个原子中，电子和质子因为电磁力而相互吸引，也正是这个力将电子束缚在一个环绕着原子核的静电位势阱中，要从这个势阱中逃逸则需要外部的能量。电子离原子核越近，吸引力则越大。因此，与外层电子相比，离核近的电子需要更多能量才能够逃逸。

原子轨道则是一个描述了电子在核内的概率分布的数学方程。在实际中，只有一组离散的（或量子化的）轨道存在，其他可能的形式会很快的坍塌成一个更稳定的形式。这些轨道可以有一个或多个的环或节点，并且它们的大小，形状和空间方向都有不同。

每一个原子轨道都对应一个电子的能级。电子可以通过吸收一个带有足够能量的光子而跃迁到一个更高的能级。同样的，通过自发辐射，在高能级态的电子也可以跃迁回一个低能级态，释放出光子。这些典型的能量，也就是不同量子态之间的能量差，可以用来解释原子谱线。

把核外电子出现几率相等的地方连接起来，作为电子云的界面，使界面内电子云出现的总几率很大（例如90%或95%），在界面外的几率很小，有这个界面所包括的空间范围，叫做原子轨道，这里的原子轨道与宏观的轨道具有不同的含义。

在原子核中除去或增加一个电子所需要的能量远远小于核子的结合能，这些能量被称为电子结合能。例如：夺去氢原子中基态电子只需要13.6eV。当电子数与质子数相等时，原子是电中性的。如果电子数大于或小于质子数时，该原子就会被称为离子。原子最外层电子可以移动至相邻的原子，也可以由两个原子所共有。正是由于有了这种机理，原子才能够键合形成分子或其他种类的化合物，例如离子或共价的网状晶体。

原子轨道是薛定谔方程的合理解，薛定谔方程为一个二阶偏微方程

(^2ψ/x^2)+(^2ψ/y^2)+(^2ψ/z^2)=-(8π^2)/(h^2)·(E-V)ψ，

该方程的解ψ是x、y、z的函数，写成ψ（x，y，z)。为了更形象地描述波函数的意义，通常用球坐标来描述波函数，即ψ（r，θ，φ)=R(r)·Y(θ，φ)，这里R(r)函数是与径向分布有关的函数，称为径向分布函数；Y(θ，φ)是与角度分布有关的，称为角度分布波函数。

原子核

原子中所有的质子和中子结合起来就形成了一个很小的原子核，它们一起也可以被称为核子。原子核的半径约等于 fm其中A是核子的总数。原子半径的数量级大约是105fm，因此原子核的半径远远小于原子的半径。核子被能在短距离上起作用的残留强力束缚在一起。当距离小于2.5fm的时候，强力远远大于静电力，因此它能够克服带正电的质子间的相互排斥。

同种元素的原子带有相同数量的质子，这个数也被称作原子序数。而对于某种特定的元素，中子数是可以变化的，这也就决定了该原子是这种元素的哪一种同位素。质子数量和中子数量决定了该原子是这种元素的哪一种核素。中子数决定了该原子的稳定程度，一些同位素能够自发进行放射性衰变。

中子和质子都是费米子的一种，根据量子力学中的泡利不相容原理，不可能有完全相同的两个费米子同时拥有一样量子物理态。因此，原子核中的每一个质子都占用不同的能级，中子的情况也与此相同。不过泡利不相容原理并没有禁止一个质子和一个中子拥有相同的量子态。

如果一个原子核的质子数和中子数不相同，那么该原子核很容易发生放射性衰变到一个更低的能级，并且使得质子数和中子数更加相近。因此，质子数和中子数相同或很相近的原子更加不容易衰变。然而，当原子序数逐渐增加时，因为质子之间的排斥力增强，需要更多的中子来使整个原子核变的稳定，所以对上述趋势有所影响。因此，当原子序数大于20时，就不能找到一个质子数与中子数相等而又稳定的原子核了。随着Z的增加，中子和质子的比例逐渐趋于1.5。

核聚变示意图，图中两个质子聚变生成一个包含有一个质子和一个中子的氘原子核，并释放出一个正电子（电子的反物质）以及一个电子中微子。

原子核中的质子数和中子数也是可以变化的，不过因为它们之间的力很强，所以需要很高的能量，当多个粒子聚集形成更重的原子核时，就会发生核聚变，例如两个核之间的高能碰撞。在太阳的核心，质子需要3-10KeV的能量才能够克服它们之间的相互排斥，也就是库仑障壁，进而融合起来形成一个新的核。与此相反的过程是核裂变，在核裂变中，一个核通常是经过放射性衰变，分裂成为两个更小的核。使用高能的亚原子粒子或光子轰击也能够改变原子核。如果在一个过程中，原子核中质子数发生了变化，则此原子就变成了另外一种元素的原子了。

如果核聚变后产生的原子核质量小于聚变前原子质量的总和，那么根据爱因斯坦的质能方程，这一些质量的差就作为能量被释放了。这个差别实际是原子核之间的结合能。

对于两个原子序数在铁或镍之前的原子核来说，它们之间的核聚变是一个放热过程，也就是说过程释放的能量大于将它们连在一起的能量。正是因为如此，才确保了恒星中的核聚变能够自我维持。对于更重一些的原子来说，结合能开始减少，也就是说它们的核聚变会是一个吸热过程。因此，这些更重的原子不能够进行产能的核聚变，也就不能够维持恒星的流体静力平衡。

在α粒子散射实验中，人们发现，原子的质量集中于一个很小且带正电的物质中，这就是原子核。

原子核也称作核子，由原子中所有的质子和中子组成，原子核的半径约等于1.07×A^1/3 fm，其中A是核子的总数。原子半径的数量级大约是105fm，因此原子核的半径远远小于原子的半径。

组成

原子核由质子与中子组成（氢原子核只有一个质子），中子和质子都是费米子的一种，根据量子力学中的泡利不相容原理，不可能有完全相同的两个费米子同时拥有一样量子物理态。因此，原子核中的每一个质子都占用不同的能级，中子的情况也与此相同。不过泡利不相容原理并没有禁止一个质子和一个中子拥有相同的量子态。

质子（proton）

不同同位素中，将核子连在一起所需要的能量

质子由两个上夸克和一个下夸克组成，带一个单位正电荷，质量是电子质量的1836.152701(37)倍，为1.6726231(10)×10–27kg，然而部分质量可以转化为原子结合能。拥有相同质子数的原子是同一种元素，原子序数=质子数=核电荷数=核外电子数。

中子（neutron）

中子是原子中质量最大的亚原子粒子，自由中子的质量是电子质量的1838.683662(40)倍，为1.6749286(10)×10^-27kg。 中子和质子的尺寸相仿，均在2.5×10^-15m这一数量级，但它们的表面并没能精确定义。

中子由一个上夸克和两个下夸克组成，两种夸克的电荷相互抵销，所以中子不显电性，但，认为“中子不带电”的观点是错误的。

而对于某种特定的元素，中子数是可以变化的，拥有不同中子数的同种元素被称为同位素。中子数决定了一个原子的稳定程度，一些元素的同位素能够自发进行放射性衰变。

核力（nuclear force）

原子核被一种强力束缚在线度为10^-15m的区域内。由于质子带正电，根据库仑定律，质子间的排斥作用本会使原子核爆裂，但，原子核中有一种力，把质子和中子紧紧束缚在一起，这种力就是核力。在一定距离内，核力远远大于静电力，克服了带正电的质子间的相互排斥。

核力的作用范围被称作力程，作用范围在2.5fm左右，最多不超过3fm，即，不能从一个原子核延伸到另一个原子核，因此，核力属于短程力。

核素（nuclide）

具有相同质子数和中子数的原子核称为核素，而用x轴表示质子数；用y轴表示中子数所得到的图像就被称为核素图，由图可以发现，在x∈{0，1，2，3，…，20}时，核素图上的函数近似y=x，但随着质子数的增加，质子间的库仑斥力明显增强，原子核需要比往常更多的中子数维持原子核的未定，在x∈{21，22，23，…，112}时，函数近似为y=1.5x，中子数大于质子数。

结合能（energy of the nucleus）

在原子核中，将核子从原子核中分离做功消耗的能量，被称为结合能。实验发现，任一原子核的质量总是小于其组成核子的质量和（这一差值被称为质量亏损），因此，结合能可以由爱因斯坦质能方程推算：

结合能=（原子核内所有质子、中子的静止质量和-原子核静止质量）×光速^2

平均结合能（binding e.o.t.n）

核素图

一个原子核中每个核子结合能的平均值被称作平均结合能，计算公式为：

每个核子的平均结合能=总结合能÷核子数

平均结合能越大，原子核越难被分解成单个的核子。由右图可以看出：

①重核的平均结合能比中核小，因此，它们容易发生裂变并放出能量

②轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能小，因此，当轻核发生聚变时会放出能量。

原子的范德华半径是指在分子晶体中，分子间以范德华力结合，如稀有气体相邻两原子核间距的一半。

原子核中的质子数和中子数也是可以变化的，不过因为它们之间的力很强，所以需要很高的能量，当多个粒子聚集形成更重的原子核时，就会发生核聚变，例如两个核之间的高能碰撞。在太阳的核心，质子需要3-10KeV的能量才能够克服它们之间的相互排斥，也就是库仑障壁，进而融合起来形成一个新的核。与此相反的过程是核裂变，在核裂变中，一个核通常是经过放射性衰变，分裂成为两个更小的核。使用高能的亚原子粒子或光子轰击也能够改变原子核。如果在一个过程中，原子核中质子数发生了变化，则此原子就变成了另外一种元素的原子了。

对于两个原子序数在铁或镍之前的原子核来说，它们之间的核聚变是一个放热过程，也就是说过程释放的能量大于将它们连在一起的能量。正是因为如此，才确保了恒星中的核聚变能够自我维持。对于更重一些的原子来说，结合能开始减少，也就是说它们的核聚变会是一个吸热过程。因此，这些更重的原子不能够进行产能的核聚变，也就不能够维持恒星的流体静力平衡。

性质

放射性

每一种元素都有一个或多个同位素拥有不稳定的原子核，从而能发生放射性衰变，在这个过程中，原子核可以释放出粒子或电磁辐射。当原子核的半径大于强力的作用半径时，放射性衰变就可能发生，而强力的作用半径仅为几飞米。

最常见的放射性衰变如下：

α衰变：原子核释放一个α粒子，即含有两个质子和两个中子的氦原子核。衰变的结果是产生一个原子序数低一些的新元素。

β衰变：弱相互作用的现象，过程中一个中子转变成一个质子或者一个质子转变成一个中子。前者伴随着一个电子和一个反中微子的释放，后者则释放一个正电子和一个中微子。所释放的电子或正电子被叫做β粒子。因此，β衰变能够使得该原子的原子序数增加或减少一。

γ衰变：原子核的能级降低，释放出电磁波辐射，通常在释放了α粒子或β粒子后发生。

其它比较罕见的放射性衰变还包括：释放中子或质子，释放核子团或电子团，通过内转换产生高速的电子而非β射线以及高能的光子而非伽马射线。

每一个放射性同位素都有一个特征衰变期间，即半衰期。半衰期就是一半样品发生衰变所需要的时间。这是一种指数衰变，即样品在每一个半衰期内恒定的衰变50%，换句话说，当两次半衰期之后，就只剩下25%的起始同位素了。

磁矩

基本微粒都有一个固有性质，就像在宏观物理中围绕质心旋转的物体都有角动量一样，在量子力学中被叫做自旋。但是严格来说，这些微粒仅仅是一些点，不能够旋转。自旋的单位是约化普朗克常数（），电子、质子和中子的自旋都是 。在原子里，电子围绕原子核运动，所以除了自旋，它们还有轨道角动量。而对于原子核来说，轨道角动量是起源于自身的自旋。

正如一个旋转的带电物体能够产生磁场一样，一个原子所产生的磁场，即它的磁矩，就是由这些不同的角动量决定的。然后，自旋对它的影响应该是最大的。因为电子的一个性质就是要符合泡利不相容原理，即不能有两个位于同样量子态的电子，所以当电子成对时，总是一个自旋朝上而另外一个自旋朝下。这样，它们产生的磁场相互抵消。对于某些带有偶数个电子的原子，总的磁偶极矩会被减少至零。

对于铁磁性的元素，例如铁，因为电子总数为奇数，所以会产生一个净磁矩。同时，因为相邻原子轨道重叠等原因，当未成对电子都朝向同一个方向时，体系的总能量最低，这个过程被称为交换相互作用。当这些铁磁性元素的磁动量都统一朝向后，整个材料就会拥有一个宏观可以测量的磁场。顺磁性材料中，在没有外部磁场的情况下，原子磁矩都是随机分布的；施加了外部磁场以后，所有原子都会统一朝向，产生磁场。

原子核也可以存在净自旋。由于热平衡，通常这些原子核都是随机朝向的。但对于一些特定元素，例如氙-129，一部分核自旋也是可能被极化的，这个状态被叫做超极化，在核磁共振成像中有很重要的应用。

能级

原子中，电子的势能与它离原子核的距离成反比。测量电子的势能，通常的测量将让该电子脱离原子所需要的能量，单位是电子伏特（eV）。在量子力学模型中，电子只能占据一组以原子核为中心的状态，每一个状态就对应于一个能级。最低的能级就被叫做基态，而更高的能级就被叫做激发态。

电子要在两个能级之间跃迁的前提是它要吸收或者释放能量，该能量还必须要和这两个能级之间的能量差一致。因为释放的光子能量只与光子的频率有关，并且能级是不连续的，所以在电磁波谱中就会出现一些不连续的带。每一个元素都有一个特征波谱，特征波谱取决于核电荷的多少，电子的填充情况，电子间的电磁相互作用以及一些其他的因素。

当一束全谱的光经过一团气体或者一团等离子体后，一些光子会被原子吸收，使得这些原子内的电子跃迁。而在激发态的电子则会自发的返回低能态，能量差作为光子被释放至一个随机的方向。前者就使那些原子有了类似于滤镜的功能，观测者在最后接收到的光谱中会发现一些黑色的吸收能带。而后者能够使那些与光线不在同一条直线上的观察者观察到一些不连续的谱线，实际就是那些原子的发射谱线。对这些谱线进行光谱学测量就能够知道该物质的组成以及物理性质。

在对谱线进行了细致的分析后，科学家发现一些谱线有着精细结构的裂分。这是因为自旋与最外层电子运动间的相互作用，也被称作自旋-轨道耦合。当原子位于外部磁场中时，谱线能够裂分成三个或多个部分，这个现象被叫做塞曼效应，其原因是原子的磁矩及其电子与外部磁场的相互作用。一些原子拥有许多相同能级电子排布，因而只产生一条谱线。当这些原子被安置在外部磁场中时，这几种电子排布的能级就有了一些细小的区别，这样就出现了裂分。外部电场的存在也能导致类似的现象发生，被称为斯塔克效应。

如果一个电子在激发态，一个有着恰当能量的光子能够使得该电子受激辐射，释放出一个拥有相同能量的光子，其前提就是电子返回低能级所释放出来的能量必须要与与之作用的光子的能量一致。此时，受激释放的光子与原光子向同一个方向运动，也就是说这两个光子的波是同步的。利用这个原理，人们设计出了激光，用来产生一束拥有很窄频率相干光源态物质很多不同的相态之中都存在原子，这些相态都由一定的物理条件所决定，例如温度与压强。通过改变这些条件，物质可以在固体、液体、气体与等离子体之间转换。在同一种相态中，物质也可以有不同的形态，例如固态的碳就有石墨和金刚石两种形态。当温度很靠近绝对零度时，原子可以形成玻色-爱因斯坦凝聚态。

重要参数

质量数

（mass number）由于质子与中子的质量相近且远大于电子，所以用原子的质子和中子数量的总和定义相对原子质量，称为质量数。

相对原子质量

原子的静止质量通常用统一原子质量单位（u）来表示，也被称作道尔顿（Da）。这个单位被定义为电中性的碳12质量的十二分之一，约为1.66×10-27kg。氢最轻的一个同位素氕是最轻的原子，重量约为1.007825u。一个原子的质量约是质量数与原子质量单位的乘积。最重的稳定原子是铅-208，质量为207.9766521u。

摩尔

（mole）就算是最重的原子，化学家也很难直接对其进行操作，所以它们通常使用另外一个单位摩尔。摩尔的定义是对于任意一种元素，一摩尔总是含有同样数量的原子，约为6.022×10^23个。因此，如果一个元素的原子质量为1u，一摩尔该原子的质量就为（1.66×10-27x6.022×10^23=9.99652x10-4≈10x10-4=0.001kg）0.001kg，也就是1克。例如，碳-12的原子质量是12u，一摩尔碳的质量则是0.012kg。

物质构成

金属单质（铁、铜等）

少数非金属单质（例：金刚石、石墨）

现状

核合成

稳定的质子和电子在大爆炸后的一秒钟内出现。在接下来的三分钟之内，太初核合成产生了宇宙中大部分的氦、锂和氘，有可能也产生了一些铍和硼。在理论上，最初的原子（有束缚的电子）是在大爆炸后大约380,000 年产生的，这个时代称为重新结合，在这时宇宙已经冷却到足以使电子与原子核结合了.自从那时候开始，原子核就开始在恒星中通过核聚变的过程结合，产生直到铁的元素。

地球

大部分组成地球及其居民的原子，都是在太阳系刚形成的时候就已经存在了。还有一部分的原子是核衰变的结果，它们的相对比例可以用来通过放射性定年法决定地球的年龄。大部分地壳中的氦都是α衰变的产物.

地球上有很少的原子既不是在一开始就存在的，也不是放射性衰变的结果。碳-14是大气中的宇宙射线所产生的。有些地球上的原子是核反应堆或核爆炸的产物，要么是特意制造的，要么是副产物。在所有超铀元素──原子序数大于92的元素中，只有钚和镎在地球中自然出现

理论形式

虽然原子序数大于82（铅）的元素已经知道是放射性的，但是对于原子序数大于103的元素，提出了“稳定岛”的概念。在这些超重元素中，可能有一个原子核相对来说比其它原子核稳定。最有可能的稳定超重元素是Ubh，它有126 个质子和184 个中子。

每一个粒子都有一个对应的反物质粒子，电荷相反。因此，正电子就是带有正电荷的反电子，反质子就是与质子对等，但带有负电荷的粒子。不知道什么原因，在宇宙中反物质是非常稀少的，因此在自然界中没有发现任何反原子。然而，1996年，在日内瓦的欧洲核子研究中心，首次合成了反氢──氢的反物质。

把原子中的质子、中子或电子用相等电荷的其它粒子代替，可以形成奇异原子。例如，可以把电子用质量更大的渺子代替，形成渺子原子。这些类型的原子可以用来测试物理学的基本预言。

磁性

电子是一种带电体，正如所有带电体一样，电子旋转时会产生一个磁场，因此，不同的原子往往有不同的磁学特性。

分子轨道理论可以很好地解释分子的磁性问题，例如氧气的顺磁性。

逆磁性

一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。常见的逆磁性金属有Bi、Cu、Ag、Au。

顺磁性

顺磁性物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。但是原子磁矩之间并无强的相互作用(一般为交换作用)，因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规(混乱)排列状态，原子磁矩互相抵消而无合磁矩。但是当受到外加磁场作用时，这些原来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混乱排列，因此总的效果是在外加磁场方向有一定的磁矩分量。这样便使磁化率(磁化强度与磁场强度之比)成为正值，但数值也是很小，一般顺磁物质的磁化率约为十万分之一(10-5)，并且随温度的降低而增大。

常见的顺磁性物质有：氧气、一氧化氮、铂。

核性质

放射性

某些物质的原子核能发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线，只能用专门的仪器才能探测到的射线。物质的这种性质叫放射性。

衰变

不稳定(即具有放射性)的原子核在放射出粒子及能量后可变得较为稳定，这个过程称为衰变（Radioactive decay）。这些粒子或能量（后者以电磁波方式射出）统称辐射（radiation）。由不稳定原子核发射出来的辐射可以是α（氦原子核）粒子、β（电子或正电子）粒子、γ射线或中子。

放射性核素在衰变过程中，该核素的原子核数目会逐渐减少。衰变至只剩下原来质量一半所需的时间称为该核素的半衰期（half-life）。每种放射性核素都有其特定的半衰期，由几微秒到几百万年不等。

原子核由于放出某种粒子而变为新核的现象．原子核是一个量子体系，核衰变是原子核自发产生的变化，它是一个量子跃迁过程，它服从量子统计规律．对任何一个放射性核素，它发生衰变的精确时刻是不能预知的，但作为一个整体，衰变的规律十分明确．若在dt时间间隔内发生核衰变的数目为dN，它必定正比于当时存在的原子核数目N，显然也正比于时间间隔dt

衰变有3种：α衰变 、β衰变和γ衰变。

核裂变（nuclear fission）

核裂变指是一个原子核分裂成几个原子核的变化，核裂变通常由中子轰击质量数较大的原子核引起，原子核裂变后会形成两个质量相当的部分，并放出能量，有时会导致链式反应的发生。

核聚变（nuclear fusion）

当多个粒子聚集形成更重的原子核时，就会发生核聚变，例如两个核之间的高能碰撞。常见的核聚变发生于氘与氚之间。 核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。

在太阳的核心，质子需要3-10KeV的能量才能够克服它们之间的相互排斥，也就是库伦障壁，进而融合起来形成一个新的核。

稳定性

原子核的稳定性，是指原子核不会自发地改变其质子数、中子数和它的基本性质。按原子核的稳定性可分为稳定原子核和不稳定(或放射性)原子核两类。

1．原子核中的质子数等于和大于84的原子核是不稳定的。即原子序数84以后的元素均为放射性元素。

2．具有少于84个质子的原子核，质子数和中子数均为偶数时，其核稳定。

3．质子数或中子数等于2，8，20，28，50，82，126的原子核特别稳定。这些数称为幻数。质子数和中子数都是幻数，称为双幻数核。

4.中子数和质子数之比n/p，在Z<20时n/p=1，原子核稳定。随着原子序数增加，n/p值增大，比值越大，稳定性越差。

原子核衰变

不稳定的原子核都会自发地转变成另一种核而同时放出射线，这种变化叫放射性衰变。原子核在衰变过程中放出的射线有三种：α射线、β射线和γ射线．

α射线是α粒子流，它是带正电的氦核。β射线是高速运动的电子流。

β衰变有β+和β-两种。β衰变时除放出正电子或负电子外，还放出中微子或反中微子。β-衰变是原子核内中子转变成质子(留在核内)同时放出一个电子和与电子相联系的反中微子。β+衰变是原子核内中子数较少，质子转变成中子(留在核内)，同时放出一个正电子和一个中微子。

γ射线是光子流。通常是在α衰变或β衰变后形成新核时辐射出来的。这是因为放射性母核经上述衰变后，变成处于激发态的子核，子核在跃迁到正常态时，一般辐射出γ光子。

衰变前粒子的电荷总数和质量总数与衰变后所有粒子的电荷总数和质量总数相等

放射性衰变定律

t时样品中有N个核，在dt时间内有dN个发生衰变，有t=0，N=N0，有上式称为放射性衰变定律。

物理意义为：t时刻，每单位时间衰变的原子核数与该时刻原子核总数的比。越大，衰变越快。

习惯上常用半衰期来表征放射性元素衰变的快慢。半衰期的定义是：原子核衰变到N=N0/2所需的时间。用T表示。

有时也用平均寿命τ表示衰变的快慢。平均寿命是指每个原子核衰变前存在的时间的平均值。

放射性活度 (也称放射性强度)是指一个放射源，在单位时间内发生的核衰变次数。

在国际单位制中，放射性活度的单位是贝克勒尔(Bq)。1Bq表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度。常用的单位还有居里(Ci)。

光谱

主条目：原子轨道

在稳定状态下，原子中的电子位于离核最近的轨道上，这时的原子就被称为基态原子；电子吸收能量后跃迁到更高的轨道上，这时原子就处于激发态。由于原子的轨道是量子化的，因此原子的能量发生变化时，会吸收（放出）特定的能量，产生不同的光谱图像，古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）和罗伯特·威廉·本生（Robert Wilhelm Bunson）最早应用这一性质对不同元素的原子进行鉴定。

焰色反应（flame test）

当原子的光谱落在可见光区时，肉眼就可以看见不同的颜色，这是有些元素的原子在灼烧时引起火焰颜色变化的原因，这种变化被称为焰色反应，可以粗略地检测某些元素原子的存在。

价电子

价电子是原子参与化学反应的电子数，价电子数与原子的化学性质密切相关，对于主族元素来说，价电子数等于其最外层电子数；对于副族元素，价电子数包括最外层电子数和次外层的d（有时还包括f）轨道的电子数，元素周期表中通常会用电子排布式标示一个特定元素的价电子。根据价电子的不同，元素周期表可以分为s区、p区、d区、ds区、f区。

化合价

电离能

电离能的大小反映了原子失去电子的难易。电离能愈小，原子失去电子愈易，反之同理；电离能的大小和原子的有效电荷、原子半径和电子排布有很大关系。

第一电离能

基态气体原子失去电子成为带一个正电荷的气态正离子所需的能量称为第一电离能，一般来说，若不作说明，电离能即第一电离能。

公式总结

1.α粒子散射试验结果a)大多数的α粒子不发生偏转;(b)少数α粒子发生了较大角度的偏转;(c)极少数α粒子出现大角度的偏转(甚至反弹回来)

2.原子核的大小：10-15～10-14m，原子的半径约10-10m(原子的核式结构)

3.光子的发射与吸收：原子发生定态跃迁时,要辐射(或吸收)一定频率的光子:hν=E初-E末{能级跃迁｝

4.原子核的组成：质子和中子(统称为核子)， {A=质量数=质子数+中子数，Z=电荷数=质子数=核外电子数=原子序数〔见第三册P63〕｝

5.天然放射现象：α射线(α粒子是氦原子核)、β射线(高速运动的电子流)、γ射线(波长极短的电磁波)、α衰变与β衰变、半衰期(有半数以上的原子核发生了衰变所用的时间)。γ射线是伴随α射线和β射线产生的〔见第三册P64〕

6.爱因斯坦的质能方程:E=mc2{E:能量(J)，m:质量(Kg)，c:光在真空中的速度｝

7.核能的计算E=mc2{当m的单位用kg时，E的单位为J;当m用原子质量单位u时，算出的E单位为uc2;1uc2=931.5MeV｝〔见第三册P72〕。

注：

(1)常见的核反应方程(重核裂变、轻核聚变等核反应方程)要求掌握;

(2)熟记常见粒子的质量数和电荷数;

(3)质量数和电荷数守恒,依据实验事实,是正确书写核反应方程的关键;

(4)其它相关内容:氢原子的能级结构〔见第三册P49〕/氢原子的电子云〔见第三册P53〕/放射性同位数及其应用、放射性污染和防护〔见第三册P69〕/重核裂变、链式反应、链式反应的条件、核反应堆〔见第三册P73〕/轻核聚变、可控热核反应〔见第三册P77〕/人类对物质结构的认识。