FHSST 物理學/原子核/組成

原子的構成

希臘語 $\alpha \tau o\mu o\nu$ (原子) 意為不可分割。發現原子實際上是一個複雜的系統，可以分解成碎片，是現代物理學發展過程中最重要的步驟和轉折點。

人們發現（由盧瑟福在 1911 年發現）原子由帶正電荷的原子核和圍繞它運動的負電荷電子組成。起初，人們試圖將原子想象成我們太陽系的微觀類比，其中行星圍繞太陽執行。這種天真的行星模型假設在微觀世界中，牛頓經典力學定律仍然有效。然而，事實並非如此。

圖：15.1 機率密度 $P(r)$ 氫原子基態電子在距離質子 r 處的機率。

微觀世界受量子力學支配，量子力學沒有像軌跡這樣的概念。相反，它描述了粒子的動力學，這些動力學由量子態描述，量子態的特徵在於各種可觀測量機率分佈。

例如，原子中的電子不是沿著特定軌跡運動，而是沿著所有可能的軌跡運動，具有不同的機率。如果我們試圖捕獲這個電子，經過多次嘗試後，我們會發現電子可以在原子核周圍的任何地方找到，甚至非常靠近和非常遠離原子核。然而，在不同距離處找到電子的機率會有所不同。令人驚訝的是：最可能的距離對應於經典軌跡！

您可以將原子內的電子想象成在原子核周圍混亂地、極快地運動，以至於在我們思想的眼睛中形成一個雲。在這個雲的某些地方，密度更大，而在其他地方密度更小。雲的密度對應於在特定位置找到電子的機率。這種密度（機率）的空間分佈是我們可以使用量子力學計算出來的。對氫原子的這種計算結果如圖 15.1 所示。正如上面提到的，最可能的距離（曲線的最大值）與玻爾半徑一致。

任何束縛系統（如原子）的量子力學方程只有在離散的能量集$E_{1},E_{2},E_{3}\dots <math>$ 等時才存在解。例如，對於能量$E$，在這些值之間根本沒有解，例如$E_{1}<E<E_{2}$。這就是為什麼微觀粒子束縛系統不能具有任意能量，只能處於量子態之一。每個這種狀態都具有特定的能量和特定的空間配置，即機率分佈。束縛量子系統可以自發地或作為與其他系統相互作用的結果，從一種量子態躍遷到另一種量子態。能量守恆定律是最基本的定律之一，它在量子世界和經典世界中同樣有效。這意味著，在能量為$E_{i}$和$E_{j}$ 的狀態之間發生的任何躍遷都會伴隨能量$\Delta E=|E_{i}-E_{j}|$ 的發射或吸收。這就是原子發射光的方式。

電子是一個非常輕的粒子。與原子的總質量相比，它的質量可以忽略不計。例如，在所有原子中最輕的氫原子中，電子只佔原子質量的 0.054%。在構成我們周圍岩石的主要成分矽原子中，所有 14 個電子只佔質量的 0.027%。因此，當您用手握住一塊重石頭時，您實際上感受到的是所有原子核的總重量。