FHSST 物理/原子核/組成

原子由什麼構成

希臘語 $\alpha \tau o\mu o\nu$ (原子) 表示不可分割。發現原子實際上是一個複雜的系統，可以分解成碎片，這是現代物理學發展中最重要的一步，也是一個關鍵轉折點。

人們發現（由盧瑟福在1911年發現）原子由帶正電的原子核和圍繞它運動的負電子組成。起初，人們試圖將原子形象化為我們太陽系的微觀類似物，行星圍繞太陽運動。這種簡單的行星模型假設，在非常小的物體世界中，牛頓的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 $P(r)$ 表示在氫原子基態下，在距離質子 r 處找到電子的機率。

微觀世界受量子力學的支配，量子力學沒有軌跡的概念。相反，它用量子態描述粒子的動力學，這些量子態以各種可觀測量的機率分佈為特徵。

例如，原子中的電子並非沿著特定軌跡運動，而是沿著所有可想象的軌跡運動，但機率不同。如果我們試圖捕捉這個電子，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被發現，甚至非常靠近原子核，也可能非常遠離原子核。然而，在不同距離處找到電子的機率是不同的。令人驚奇的是，最可能的距離對應於經典軌跡！

你可以將原子內部的電子想象成在原子核周圍混亂地、極其快速地運動，因此對於我們的精神之眼來說，它形成了一個雲。在這個雲的某些地方密度更大，而在其他地方密度更薄。雲的密度對應於在特定位置找到電子的機率。我們可以使用量子力學來計算這種密度（機率）的空間分佈。這種計算結果在圖15.1中顯示，如上所述，最可能的距離（曲線的最大值）與玻爾半徑一致。

任何束縛體系（如原子）的量子力學方程，只有在能量的離散集合 $E_{1},E_{2},E_{3}\dots <math>$，等等時才有解。對於介於這些值之間的能量 $E$，例如 $E_{1}<E<E_{2}$，根本沒有解。這就是為什麼微觀粒子的束縛體系不能具有任意能量，只能處於量子態之一。每個這樣的狀態都具有一定的能量和特定的空間構型，即機率分佈。一個束縛的量子體系可以自發地或由於與其他體系的相互作用而從一個量子態躍遷到另一個量子態。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適用。這意味著，在能量為 $E_{i}$ 和 $E_{j}$ 的狀態之間的任何躍遷都伴隨著能量的輻射或吸收 $\Delta E=|E_{i}-E_{j}|$。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%。在矽原子中，它們是我們周圍岩石的主要成分，所有 14 個電子只佔質量的 0.027%。因此，當你用手握著一塊沉重的岩石時，你實際上感受的是所有它內部原子核的集體重量。