FHSST 物理/原子/連續電離能

連續電離能為電子排列成核心和價層提供證據

[布林克和瓊斯部分：德布羅意 - 物質表現出粒子性和波動性，由戴維森和革末證明。薛定諤和海森堡將這個模型發展成量子力學]

原子核（原子核）是原子的中心。它由一個或多個質子和通常還有一些中子組成。原子核中質子的數量稱為原子序數，它決定了該原子屬於哪種元素（例如氫、碳、氧等）。

雖然帶正電的質子會相互排斥，但原子核內粒子之間的距離很小，以至於強相互作用（它比電磁力強，但隨著距離的增加衰減得更快）占主導地位。（引力微不足道，比電磁力弱 1036 倍。）

電子的發現是第一個表明原子具有內部結構的跡象。最初，人們認為這種結構符合“葡萄乾餅乾”或“李子布丁”模型，在這個模型中，小的帶負電的電子嵌入在一個包含所有正電荷的大球體中。然而，歐內斯特·盧瑟福和馬斯登在 1911 年發現，來自鐳源的α粒子有時會被金箔向後散射，這表明原子中心一定存在一個密集的正電荷集中區。這一發現導致了對行星模型的接受，在這個模型中，電子像行星繞太陽執行那樣繞著一個微小的原子核執行。

有趣的事實：原子這個詞來源於希臘語 atomos，意為不可分割，來自 a-，表示否定，tomos，表示切。

原子是化學元素可以被分割到的最小部分，同時仍然保留其性質。原子是分子和普通物質的基本組成部分。原子由亞原子粒子組成。

原子主要由空曠的空間組成，但也包含更小的亞原子粒子。原子的中心是一個微小的帶正電的原子核，它由核子（質子和中子）組成。原子的其餘部分只包含相當靈活的電子層。通常，原子是電中性的，質子數量等於電子數量。

原子通常按其原子序數進行分類，原子序數對應於原子中的質子數量。例如，碳原子是指包含 6 個質子的原子。所有具有相同原子序數的原子共享多種物理特性，並表現出相同的化學行為。各種型別的原子在元素週期表中列出。具有相同原子序數但不同原子質量（由於中子數量不同）的原子稱為同位素。

最簡單的原子是氫原子，原子序數為 1，由一個質子和一個電子組成。它在科學界引起了很大的興趣，特別是在量子理論的早期發展中。

原子的化學行為很大程度上取決於電子之間的相互作用。特別是最外層的電子，稱為價電子，對化學行為的影響最大。核心電子（不在外層）也起作用，但通常是由於遮蔽原子核中的正電荷而產生的次要效應。

原子傾向於完全填充（或清空）外層電子層，氫和氦的外層電子層可以容納兩個電子，而其他所有原子可以容納八個電子。這可以透過與相鄰原子共享電子或完全從其他原子中移除電子來實現。當電子共享時，會在兩個原子之間形成共價鍵。共價鍵是最強型別的原子鍵。

當一個或多個電子被另一個原子完全從一個原子中移除時，就會形成離子。離子是由於質子數和電子數不平衡而帶淨電荷的原子。竊取電子(s) 的離子稱為陰離子，帶負電荷。失去電子(s) 的原子稱為陽離子，帶正電荷。陽離子和陰離子由於正負電荷之間的庫侖力而相互吸引。這種吸引力稱為離子鍵，比共價鍵弱。

如上所述，共價鍵意味著電子在原子之間平等共享，而離子鍵意味著電子完全侷限於陰離子。除了少數極端情況外，這兩種影像都不是完全準確的。在大多數共價鍵情況下，電子是不平等共享的，它在電負性更強的原子周圍停留的時間更長，導致共價鍵具有一定的離子性。同樣，在離子鍵中，電子經常在電正性更強的原子周圍花費一小部分時間，導致離子鍵具有一定的共價性。

原子模型

• 德謨克利特的形狀原子模型（由於沒有更好的名稱）
• 李子布丁模型
• 立方原子
• 玻爾模型
• 量子力學模型

李子布丁原子模型是在發現電子後，發現質子或中子之前提出的。在這個模型中，原子被設想為電子被包圍在正電荷的湯中，就像李子被包圍在布丁中一樣。這個模型被歐內斯特·盧瑟福的實驗所推翻，因為他發現了原子的原子核。

玻爾模型是一個物理模型，它將原子描述為一個小的帶正電的原子核，電子在不同能級上繞其執行，類似於太陽系的結構。由於其簡單性，玻爾模型至今仍被普遍使用和教授。

在 20 世紀初，歐內斯特·盧瑟福等人的實驗已經證實，原子由一個小的、密集的、帶正電的原子核和周圍繞行的帶負電的電子組成。然而，理論預測和實驗結果很快開始對經典軌道模型產生懷疑。

最簡單的原子是氫原子，它由一個帶正電的質子和一個帶負電的繞其執行的電子組成。根據原子的軌道模型，由於原子核（質子）和電子帶相反的電荷，它們會透過庫侖力相互吸引，就像太陽透過引力吸引地球一樣。然而，如果電子在經典軌道上繞原子核執行，它將經歷向心加速度，並且根據完善的電磁理論，它應該會發射電磁輻射（光）。如果繞行的電子在繞行時輻射，它必須失去能量，因此在很短的時間內螺旋進入原子核，而這顯然不會發生。

此外，當時人們已經知道原子只在某些頻率下發射光 - 原子可以輻射的頻率稱為原子的光譜。很明顯，原子發射光是由電子輻射引起的。然而，如果電子像行星一樣在經典軌道上繞原子核執行，就沒有理由出現光譜 - 人們會期望電子在連續頻率光譜中發射輻射。很快就變得很清楚，原子的軌道描述存在嚴重問題。

這些困難在 1913 年由尼爾斯·玻爾解決，他提出

• (1) 繞行的電子存在於具有離散量子化能量的軌道上。也就是說，並非所有軌道都是可能的，只有特定的軌道。允許軌道的精確能量取決於所討論的原子。
• (2) 當電子從一個允許軌道跳到另一個軌道時，經典力學定律不適用。
• (3) 當電子從一個軌道跳到另一個軌道時，能量差由一個單一的量子光（稱為光子）帶走（或提供），光子的頻率直接取決於兩個軌道的能量差。

$f=E/h$

其中 f 是光子的頻率，E 是能量差，h 是一個比例常數，稱為普朗克常數。定義我們可以寫

其中 ?? 是光子的角頻率。

• (4) 允許的軌道取決於軌道角動量 L 的量子化（離散）值，根據以下方程

其中 n = 1, 2, 3，稱為角動量量子數。

這些假設解釋了當時觀察到的許多現象，例如為什麼光譜由離散線組成。假設 4) 指出 n 的最小值為 1。這對應於最小可能的半徑（對於數學，請參見 Ohanian 的《物理學原理》或任何大型的、通常是美國大學的入門物理教科書）為 0.0529 nm。這被稱為玻爾半徑，解釋了原子為什麼是穩定的。一旦電子處於最低軌道，它就不能再下降。它不能再發射任何光，因為它需要進入更低的軌道，但如果它已經處於最低允許軌道，它就做不到。

玻爾模型有時被稱為半經典模型，因為儘管它包含了一些量子力學的想法，但它不是原子的完整量子力學描述。假設 2) 指出經典力學定律在量子躍遷期間不適用，但沒有說明什麼定律應該取代經典力學。假設 4) 指出角動量是量子化的，但沒有解釋為什麼。

為了完全描述一個原子，我們需要使用量子力學的完整理論，該理論在玻爾模型之後由許多人在幾年內製定出來。該理論將電子視為波，在原子中形成 3D 駐波模式。（這就是為什麼量子力學有時被稱為波動力學。）該理論認為電子是像小檯球一樣的粒子，圍繞軌道執行的想法是荒謬的錯誤，相反，電子形成機率雲。你可能會以一定的機率在這裡找到電子；你可能會以不同的機率在那裡找到它。然而，有趣的是，如果你計算出電子在最低可能能量狀態下的平均半徑，它正好等於玻爾半徑（儘管需要更多頁的數學才能計算出來）。

完整的量子力學理論是一個美麗的理論，已經過實驗驗證，被發現非常準確，然而，它在數學上要高階得多，而且通常使用更簡單的玻爾模型，你可以獲得結果，而不會有太多麻煩。要記住的是，它只是一個模型，一種理解的工具。原子並不是真正的微型太陽系。

• 另請參見：氫原子、量子力學、薛定諤方程、尼爾斯·玻爾。
• 一個互動演示 http://webphysics.davidson.edu/faculty/dmb/hydrogen/，根據完整的 QM 解，顯示了氫原子中電子的機率雲。