[科普中國]-原子

簡介概述

原子是一種元素能保持其化學性質(zhì)的最小單位。一個正原子包含有一個致密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負電的電子。而負原子的原子核帶負電，周圍的負電子帶正電。正原子的原子核由帶正電的質(zhì)子和電中性的中子組成。負原子原子核中的反質(zhì)子帶負電，從而使負原子的原子核帶負電。當質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)相同時，這個原子就是電中性的；否則，就是帶有正電荷或者負電荷的離子。根據(jù)質(zhì)子和中子數(shù)量的不同，原子的類型也不同：質(zhì)子數(shù)決定了該原子屬于哪一種元素，而中子數(shù)則確定了該原子是此元素的哪一個同位素。2原子構(gòu)成分子而分子組成物質(zhì)中同種電荷相互排斥，不同種電荷相互吸引。

原子直徑的數(shù)量級大約是10?1?m。原子的質(zhì)量極小，一般為-27次冪，質(zhì)量主要集中在質(zhì)子和中子上。原子核外分布著電子，電子躍遷產(chǎn)生光譜，電子決定了一個元素的化學性質(zhì)，并且對原子的磁性有著很大的影響。所有質(zhì)子數(shù)相同的原子組成元素，每種元素大多有一種不穩(wěn)定的同位素，可以進行放射性衰變。

原子最早是哲學上具有本體論意義的抽象概念，隨著人類認識的進步，原子逐漸從抽象的概念逐漸成為科學的理論。原子核以及電子屬于微觀粒子，構(gòu)成原子。而原子又可以構(gòu)成分子。

定義化學變化中的最小微粒。

注意：原子是構(gòu)成物質(zhì)的最小粒子。是不對的，原子又可以分為原子核與核外電子，原子核又由質(zhì)子和中子組成，而質(zhì)子數(shù)正是區(qū)分各種不同元素的依據(jù)。質(zhì)子和中子還可以繼續(xù)再分。所以原子不是構(gòu)成物質(zhì)的最小粒子，但原子是化學反應(yīng)中的最小粒子。

性質(zhì)①原子的質(zhì)量非常小。

②不停地作無規(guī)則運動。

③原子間有間隔。

④同種原子性質(zhì)相同，不同種原子性質(zhì)不相同。

影響原子的力量很大，其中原子核的能量被釋放之后會有相對的危害。但也有好處，就是我們善于利用的話是可以幫助我們的。其中原子核的放射我們可以讓植物吸收來減少我們的傷害。但我們通?？梢宰龅氖潜M量少用有原子能量的東西，這樣可以減少傷害了。要善于觀察和及時了解新的方法才可以更好地預(yù)防。

發(fā)展歷史早期歷史關(guān)于物質(zhì)是由離散單元組成且能夠被任意分割的概念流傳了上千年，但這些想法只是基于抽象的、哲學的推理，而非實驗和實驗觀察。隨著時間的推移以及文化及學派的轉(zhuǎn)變，哲學上原子的性質(zhì)也有著很大的改變，而這種改變往往還帶有一些精神因素。盡管如此，對于原子的基本概念在數(shù)千年后仍然被化學家們采用，因為它能夠很簡明地闡述一些化學界的現(xiàn)象。

原子論是元素派學說中最簡明、最具科學性的一種理論形態(tài)。英國自然科學史家丹皮爾認為，原子論在科學上“要比它以前或以后的任何學說都更接近于現(xiàn)代觀點”。原子論的創(chuàng)始人是古希臘人留基伯（公元前500～約公元前440年），他是德謨克利特的老師。古代學者在論及原子論時,通常是把他們倆人的學說混在一起的。留基伯的學說由他的學生德謨克利特發(fā)展和完善,因此德謨克利特被公認為原子論的主要代表。

德謨克利特認為，萬物的本原或根本元素是“原子”和“虛空”。“原子”在希臘文中是“不可分”的意思。德謨克利特用這一概念來指稱構(gòu)成具體事物的最基本的物質(zhì)微粒。原子的根本特性是“充滿和堅實”，即原子內(nèi)部沒有空隙，是堅固的、不可入的，因而是不可分的。德謨克利特認為，原子是永恒的、不生不滅的；原子在數(shù)量上是無限的；原子處在不斷的運動狀態(tài)中，它的惟一的運動形式是“振動”，原子的體積微小，是眼睛看不見的，即不能為感官所知覺，只能通過理性才能認識。

經(jīng)過二十幾個世紀的探索，科學家在17世紀~18世紀通過實驗，證實了原子的真實存在。19世紀初英國化學家J.道爾頓在進一步總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了具有近代意義的原子學說。這種原子學說的提出開創(chuàng)了化學的新時代，他解釋了很多物理、化學現(xiàn)象。

原子是一種元素能保持其化學性質(zhì)的最小單位。一個原子包含有一個致密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負電的電子。原子核由帶正電的質(zhì)子和電中性的中子組成。原子是化學變化的最小粒子，分子是由原子組成的，許多物質(zhì)是由原子直接構(gòu)成的。

原子的英文名是從希臘語轉(zhuǎn)化而來，原意為不可切分的。很早以前，希臘和印度的哲學家就提出了原子的不可切分的概念。17和18世紀時，化學家發(fā)現(xiàn)了物理學的根據(jù)：對于某些物質(zhì)，不能通過化學手段將其繼續(xù)的分解。19世紀晚期和20世紀早期，物理學家發(fā)現(xiàn)了亞原子粒子以及原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由此證明原子并不是不能進一步切分。量子力學原理能夠為原子提供很好的模型。

近代史1661年，自然哲學家羅伯特·波義耳出版了《懷疑的化學家》（The Sceptical Chymist）一書，他認為物質(zhì)是由不同的“微粒”或原子自由組合構(gòu)成的，而并不是由諸如氣、土、火、水等基本元素構(gòu)成。恩格斯認為，波義耳是最早把化學確立為科學的化學家3。

1789年，法國科學家拉瓦錫定義了原子一詞，從此，原子就用來表示化學變化中的最小的單位。

1803年，英語教師及自然哲學家約翰·道爾頓（John Dalton）用原子的概念解釋了為什么不同元素總是呈整數(shù)倍反應(yīng)，即倍比定律（law of multiple proportions）；也解釋了為什么某些氣體比另外一些更容易溶于水。他提出每一種元素只包含唯一一種原子，而這些原子相互結(jié)合起來就形成了化合物。

1827年，英國植物學家羅伯特·布朗（Botanist Robert Brown)在使用顯微鏡觀察水面上灰塵的時候，發(fā)現(xiàn)它們進行著不規(guī)則運動，進一步證明了微粒學說。后來，這一現(xiàn)象被稱為為布朗運動。

1877年，德紹爾克思（J. Desaulx）提出布朗運動是由于水分子的熱運動而導(dǎo)致的。

1897年，在關(guān)于陰極射線的工作中，物理學家約瑟夫·湯姆生（J.J.Thomsom）發(fā)現(xiàn)了電子以及它的亞原子特性，粉碎了一直以來認為原子不可再分的設(shè)想。湯姆生認為電子是平均的分布在整個原子上的，就如同散布在一個均勻的正電荷的海洋之中，它們的負電荷與那些正電荷相互抵消。這也叫做葡萄干蛋糕模型(棗核模型）。

1905年，愛因斯坦提出了第一個數(shù)學分析的方法，證明了德紹爾克思的猜想。

1909年，在物理學家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）的指導(dǎo)下，菲利普·倫納德（P.E.A.Lenard）用氦離子轟擊金箔。發(fā)現(xiàn)有很小一部分離子的偏轉(zhuǎn)角度遠遠大于使用湯姆生假設(shè)所預(yù)測值。盧瑟福根據(jù)這個金鉑實驗的結(jié)果指出：原子中大部分質(zhì)量和正電荷都集中在位于原子中心的原子核當中，電子則像行星圍繞太陽一樣圍繞著原子核。帶正電的氦離子在穿越原子核附近時，就會被大角度的反射。這就是原子核的核式結(jié)構(gòu)。

1913年，在進行有關(guān)對放射性衰變產(chǎn)物的實驗中，放射化學家弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）發(fā)現(xiàn)對于元素周期表中的每個位置，往往存在不只一種質(zhì)量數(shù)的原子。瑪格麗特·陶德創(chuàng)造了同位素一詞，來表示同一種元素中不同種類的原子。在進行關(guān)于離子氣體的研究過程中，湯姆生發(fā)明了一種新技術(shù)，可以用來分離不同的同位素，最終導(dǎo)致了穩(wěn)定同位素的發(fā)現(xiàn)4；同年，物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）重新省視了盧瑟福的模型，并將其與普朗克及愛因斯坦的量子化思想聯(lián)系起來，他認為電子應(yīng)該位于原子內(nèi)確定的軌道之中，并且能夠在不同軌道之間躍遷，而不是像先前認為那樣可以自由的向內(nèi)或向外移動。電子在這些固定軌道間躍遷時，必須吸收或者釋放特定的能量。這種電子躍遷的理論能夠很好的解釋氫原子光譜中存在的固定位置的線條5，并將普朗克常數(shù)與氫原子光譜的里德伯常量取得了聯(lián)系。

1916年，德國化學家柯塞爾（Kossel）在考察大量事實后得出結(jié)論：任何元素的原子都要使最外層滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)6。路易士發(fā)現(xiàn)化學鍵的本質(zhì)就是兩個原子間電子的相互作用。

1919年，物理學家盧瑟福在α粒子（氦原子核）轟擊氮原子的實驗中發(fā)現(xiàn)質(zhì)子7。弗朗西斯·威廉·阿斯頓（Francis William Aston）使用質(zhì)譜證實了同位素有著不同的質(zhì)量，并且同位素間的質(zhì)量差都為一個整數(shù)，這被稱為整數(shù)規(guī)則。美國化學家歐文·朗繆爾提出原子中的電子以某種性質(zhì)相互連接或者說相互聚集。一組電子占有一個特定的電子層。

1923年，美國化學家吉爾伯特·牛頓·路易斯（G.N.Lewis）發(fā)展了柯賽爾的理論，提出共價鍵的電子對理論6。路易斯假設(shè)：在分子中來自于一個原子的一個電子與另一個原子的一個電子以“電子對”的形式形成原子間的化學鍵。這在當時是一個有悖于正統(tǒng)理論的假設(shè)，因為庫侖定律表明，兩個電子間是相互排斥的，但路易斯這種設(shè)想很快就為化學界所接受，并導(dǎo)致原子間電子自旋相反假設(shè)的提出8。

1926年，薛定諤（Erwin Schr?dinger）使用路易斯·德布羅意（Louis de Broglie）于1924年提出的波粒二象性的假說，建立了一個原子的數(shù)學模型，用來將電子描述為一個三維波形。但是在數(shù)學上不能夠同時得到位置和動量的精確值。沃納·海森堡（Werner Heisenberg）提出了著名的測不準原理。這個概念描述的是，對于測量的某個位置，只能得到一個不確定的動量范圍，反之亦然。盡管這個模型很難想像，但它能夠解釋一些以前觀測到卻不能解釋的原子的性質(zhì)，例如比氫更大的原子的譜線。因此，人們不再使用玻爾的原子模型，而是將原子軌道視為電子高概率出現(xiàn)的區(qū)域（電子云）9。質(zhì)譜的發(fā)明使得科學家可以直接測量原子的準確質(zhì)量。該設(shè)備通過使用一個磁體來彎曲一束離子，而偏轉(zhuǎn)量取決于原子的質(zhì)荷比。弗朗西斯·阿斯頓使用質(zhì)譜證實了同位素有著不同的質(zhì)量，并且同位素間的質(zhì)量差都為一個整數(shù)，這被稱為整數(shù)規(guī)則。

1930年，科學家發(fā)現(xiàn)，α射線轟擊鈹-9時，會產(chǎn)生一種電中性，擁有極強穿透力的射線。最初，這被認為是γ射線。

1932年，約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)，這種射線能從石蠟中打出質(zhì)子；同年，盧瑟福的學生詹姆斯·查得威克（James Chadwick）認定這就是中子7，而同位素則被重新定義為有著相同質(zhì)子數(shù)與不同中子數(shù)的元素。

1950年，隨著粒子加速器及粒子探測器的發(fā)展，科學家們可以研究高能粒子間的碰撞。他們發(fā)現(xiàn)中子和質(zhì)子是強子的一種，由更小的夸克微粒構(gòu)成。核物理的標準模型也隨之發(fā)展，能夠成功的在亞原子水平解釋整個原子核以及亞原子粒子之間的相互作用。

1985年，朱棣文及其同事在貝爾實驗室開發(fā)了一種新技術(shù)，能夠使用激光來冷卻原子。威廉·丹尼爾·菲利普斯團隊設(shè)法將納原子置于一個磁阱中。這兩個技術(shù)加上由克洛德·科昂-唐努德日團隊基于多普勒效應(yīng)開發(fā)的一種方法，可以將少量的原子冷卻至微開爾文的溫度范圍，這樣就可以對原子進行很高精度的研究，為玻色-愛因斯坦凝聚的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)10。

歷史上，因為單個原子過于微小，被認為不能夠進行科學研究。2012年，科學家已經(jīng)成功使用一單個金屬原子與一個有機配體連接形成一個單電子晶體管。 在一些實驗中，通過激光冷卻的方法將原子減速并捕獲，這些實驗?zāi)軌驇韺τ谖镔|(zhì)更好的理解。

發(fā)展史道爾頓的原子模型

英國自然科學家約翰·道爾頓將古希臘思辨的原子論改造成定量的化學理論，提出了世界上第一個原子的理論模型。他的理論主要有以下四點6：

①所有物質(zhì)都是由非常微小的、不可再分的物質(zhì)微粒即原子組成。

②同種元素的原子的各種性質(zhì)和質(zhì)量都相同，不同元素的原子，主要表現(xiàn)為質(zhì)量的不同。

③原子是微小的、不可再分的實心球體。

④原子是參加化學變化的最小單位，在化學反應(yīng)中，原子僅僅是重新排列，而不會被創(chuàng)造或者消失。

雖然，經(jīng)過后人證實，這是一個失敗的理論模型，但道爾頓第一次將原子從哲學帶入化學研究中，明確了今后化學家們努力的方向，化學真正從古老的煉金術(shù)中擺脫出來，道爾頓也因此被后人譽為“近代化學之父”。

葡萄干布丁模型（棗糕模型）

葡萄干布丁模型（棗糕模型）由湯姆生提出，是第一個存在著亞原子結(jié)構(gòu)的原子模型。

湯姆生在發(fā)現(xiàn)電子的基礎(chǔ)上提出了原子的葡萄干布丁模型（棗核模型），湯姆生認為6：

①正電荷像流體一樣均勻分布在原子中，電子就像葡萄干一樣散布在正電荷中，它們的負電荷與那些正電荷相互抵消。

②在受到激發(fā)時，電子會離開原子，產(chǎn)生陰極射線。

湯姆生的學生盧瑟福完成的α粒子轟擊金箔實驗（散射實驗），否認了葡萄干布丁模型（棗糕模型）的正確性。

土星模型

在湯姆生提出葡萄干布丁模型同年，日本科學家提出了土星模型，認為電子并不是均勻分布，而是集中分布在原子核外圍的一個固定軌道上11。

行星模型

行星模型由盧瑟福在提出，以經(jīng)典電磁學為理論基礎(chǔ)，主要內(nèi)容有6：

①原子的大部分體積是空的。

②在原子的中心有一個體積很小、密度極大的原子核。

③原子的全部正電荷在原子核內(nèi)，且?guī)缀跞抠|(zhì)量均集中在原子核內(nèi)部。帶負電的電子在核空間進行高速的繞核運動。

隨著科學的進步，氫原子線狀光譜的事實表明行星模型是不正確的。

玻爾的原子模型

為了解釋氫原子線狀光譜這一事實，盧瑟福的學生玻爾接受了普朗克的量子論和愛因斯坦的光子概念在行星模型的基礎(chǔ)上提出了核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型。玻爾原子結(jié)構(gòu)模型的基本觀點是12：

①原子中的電子在具有確定半徑的圓周軌道（orbit）上繞原子核運動，不輻射能量。

②在不同軌道上運動的電子具有不同的能量（E），且能量是量子化的，軌道能量值依n（1，2，3，。..）的增大而升高，n稱為量子數(shù)。而不同的軌道則分別被命名為K（n=1)、L(n=2)、M(n=3)、N(n=4)、O(n=5)、P（n=6）、Q（n=7)。

③當且僅當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，才會輻射或吸收能量。如果輻射或吸收的能量以光的形式表現(xiàn)并被記錄下來，就形成了光譜。

玻爾的原子模型很好的解釋了氫原子的線狀光譜，但對于更加復(fù)雜的光譜現(xiàn)象卻無能為力。

現(xiàn)代量子力學模型

物理學家德布羅意、薛定諤和海森堡等人，經(jīng)過13年的艱苦論證，在現(xiàn)代量子力學模型在玻爾原子模型的基礎(chǔ)上很好地解釋了許多復(fù)雜的光譜現(xiàn)象，其核心是波動力學。在玻爾原子模型里，軌道只有一個量子數(shù)（主量子數(shù)），現(xiàn)代量子力學模型則引入了更多的量子數(shù)（quantum number)612。

①主量子數(shù)（principal quantum number)，主量子數(shù)決定不同的電子亞層，命名為K、L、M、N、O、P、Q。

②角量子數(shù)(angular quantum number)，角量子數(shù)決定不同的能級，符號“l(fā)”共n個值（1，2，3，...n-1)，符號用s、p、d、f、g，表示對多電子原子來說，電子的運動狀態(tài)與l有關(guān)。

③磁量子數(shù)（magnetic quantum number)磁量子數(shù)決定不同能級的軌道，符號“m”（見下文“磁矩”）。僅在外加磁場時有用?！皀”“l(fā)”“m”三個量確定一個原子的運動狀態(tài)。

④自旋磁量子數(shù)（spin m.q.n.）處于同一軌道的電子有兩種自旋，即“↑↓”自旋現(xiàn)象的實質(zhì)還在探討當中。

基本構(gòu)成亞原子粒子盡管原子的英文名稱（atom）本意是不能被進一步分割的最小粒子，但是，隨著科學的發(fā)展，原子被認為是由電子、質(zhì)子、中子（氫原子由質(zhì)子和電子構(gòu)成）構(gòu)成，它們被統(tǒng)稱為亞原子粒子。幾乎所有原子都含有上述三種亞原子粒子，但氕（氫的同位素）沒有中子，其離子（失去電子后）只是一個質(zhì)子。

質(zhì)子帶有一個正電荷，質(zhì)量是電子質(zhì)量的1836倍，為1.6726×10?2? kg，然而部分質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為原子結(jié)合能。中子不帶電荷，自由中子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的1839倍，為1.6929×10?2? kg。中子和質(zhì)子的尺寸相仿，均在2.5×10?1? m這一數(shù)量級，但它們的表面并沒能精確定義。

原子盡管很小，用化學方法不能再分，但用其他方法仍然可以再分，因為原子也有一定的構(gòu)成。原子是由中心的帶正電的原子核和核外帶負電的電子構(gòu)成的（反物質(zhì)相反），原子核是由質(zhì)子和中子兩種粒子構(gòu)成的，電子在核外較大空間內(nèi)做高速運動。

在物理學標準模型理論中，質(zhì)子和中子都由名叫夸克的基本粒子構(gòu)成?？淇耸琴M米子的一種，也是構(gòu)成物質(zhì)的兩個基本組分之一。另外一個基本組份被稱作是輕子，電子就是輕子的一種?？淇斯灿辛N，每一種都帶有分數(shù)的電荷，不是+2/3就是-1/3。質(zhì)子就是由兩個上夸克和一個下夸克組成，而中子則是由一個上夸克和兩個下夸克組成。這個區(qū)別就解釋了為什么中子和質(zhì)子電荷和質(zhì)量均有差別?？淇擞蓮娤嗷プ饔媒Y(jié)合在一起的，由膠子作為中介。膠子是規(guī)范玻色子的一員，是一種用來傳遞力的基本粒子。

亞原子粒子具有量子化特征和波粒二象性，公式表述為：λ=h/p=h/mv，式中λ為波長，p為動量，h為普朗克常數(shù)（ 6.626×10?3? J·S)13。

電子在一個內(nèi)部接近真空、兩端封有金屬電極的玻璃管通上高壓直流電，陰極一端便會發(fā)出陰極射線。熒光屏可以顯示這種射線的方向，如果外加一個勻強電場，陰極射線會偏向陽極；又若在玻璃管內(nèi)裝上轉(zhuǎn)輪，射線可以使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。后經(jīng)證實，陰極射線是一群帶有負電荷的高速質(zhì)點，即電子流。電子由此被發(fā)現(xiàn)14。

電子是最早發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子，到目前為止，電子是所有粒子中最輕的，只有9.11×10?31kg，為氫原子的[1/1836.152701(37)]，是密立根在1910年前后通過著名的“油滴實驗”做出的。電子帶有一個單位的負電荷，即4.8×10?1?靜電單位或1.6×10?1?庫倫，其體積因為過于微小，現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)無法測量。

現(xiàn)代物理學認為，電子屬于輕子的一種是構(gòu)成物質(zhì)的基本單位之一（另一種為夸克15）。

電子云電子具有波粒二象性，不能像描述普通物體運動那樣，肯定他在某一瞬間處于空間的某一點，而只能指出它在原子核外某處出現(xiàn)的可能性（即幾率）的大小。電子在原子核各處出現(xiàn)的幾率是不同的，有些地方出現(xiàn)的幾率大，有些地方出現(xiàn)的幾率很小，如果將電子在核外各處出現(xiàn)的幾率用小黑點描繪出來（出現(xiàn)的幾率越大，小黑點越密），那么便得到一種略具直觀性的圖像。這些圖像中，原子核仿佛被帶負電荷的電子云物所籠罩，故稱電子云。

在一個原子中，電子和質(zhì)子因為電磁力而相互吸引，也正是這個力將電子束縛在一個環(huán)繞著原子核的靜電位勢阱中，要從這個勢阱中逃逸則需要外部的能量。電子離原子核越近，吸引力則越大。因此，與外層電子相比，離核近的電子需要更多能量才能夠逃逸。

原子軌道則是一個描述了電子在核內(nèi)的概率分布的數(shù)學方程。在實際中，只有一組離散的（或量子化的）軌道存在，其他可能的形式會很快的坍塌成一個更穩(wěn)定的形式。這些軌道可以有一個或多個的環(huán)或節(jié)點，并且它們的大小，形狀和空間方向都有不同。

每一個原子軌道都對應(yīng)一個電子的能級。電子可以通過吸收一個帶有足夠能量的光子而躍遷到一個更高的能級。同樣的，通過自發(fā)輻射，在高能級態(tài)的電子也可以躍遷回一個低能級態(tài)，釋放出光子。這些典型的能量，也就是不同量子態(tài)之間的能量差，可以用來解釋原子譜線。

把核外電子出現(xiàn)幾率相等的地方連接起來，作為電子云的界面，使界面內(nèi)電子云出現(xiàn)的總幾率很大（例如90%或95%），在界面外的幾率很小，有這個界面所包括的空間范圍，叫做原子軌道，這里的原子軌道與宏觀的軌道具有不同的含義。

在原子核中除去或增加一個電子所需要的能量遠遠小于核子的結(jié)合能，這些能量被稱為電子結(jié)合能。例如：奪去氫原子中基態(tài)電子只需要13.6eV。當電子數(shù)與質(zhì)子數(shù)相等時，原子是電中性的。如果電子數(shù)大于或小于質(zhì)子數(shù)時，該原子就會被稱為離子。原子最外層電子可以移動至相鄰的原子，也可以由兩個原子所共有。正是由于有了這種機理，原子才能夠鍵合形成分子或其他種類的化合物，例如離子或共價的網(wǎng)狀晶體。

原子軌道是薛定諤方程的合理解，薛定諤方程為一個二階偏微方程：

(δ2ψ/δx2)+(δ2ψ/δy2)+(δ2ψ/δz2)=-(8π2)/(h2)·(E-V)ψ，

該方程的解ψ是x、y、z的函數(shù)，寫成ψ（x，y，z)。為了更形象地描述波函數(shù)的意義，通常用球坐標來描述波函數(shù)，即ψ（r，θ，φ)=R(r)·Y(θ，φ)，這里R(r)函數(shù)是與徑向分布有關(guān)的函數(shù)，稱為徑向分布函數(shù)；Y(θ，φ)是與角度分布有關(guān)的，稱為角度分布波函數(shù)13。

原子核原子中所有的質(zhì)子和中子結(jié)合起來就形成了一個很小的原子核，它們一起也可以被稱為核子。原子核的半徑約等于1.07×A^1/3 fm，其中A是核子的總數(shù)。原子半徑的數(shù)量級大約是105fm，因此原子核的半徑遠遠小于原子的半徑。核子被能在短距離上起作用的殘留強力束縛在一起。當距離小于2.5fm的時候，強力遠遠大于靜電力，因此它能夠克服帶正電的質(zhì)子間的相互排斥。

同種元素的原子帶有相同數(shù)量的質(zhì)子，這個數(shù)也被稱作原子序數(shù)。而對于某種特定的元素，中子數(shù)是可以變化的，這也就決定了該原子是這種元素的哪一種同位素。質(zhì)子數(shù)量和中子數(shù)量決定了該原子是這種元素的哪一種核素。中子數(shù)決定了該原子的穩(wěn)定程度，一些同位素能夠自發(fā)進行放射性衰變。中子和質(zhì)子都是費米子的一種，根據(jù)量子力學中的泡利不相容原理，不可能有完全相同的兩個費米子同時擁有一樣量子物理態(tài)。因此，原子核中的每一個質(zhì)子都占用不同的能級，中子的情況也與此相同。不過泡利不相容原理并沒有禁止一個質(zhì)子和一個中子擁有相同的量子態(tài)。3

如果一個原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)不相同，那么該原子核很容易發(fā)生放射性衰變到一個更低的能級，并且使得質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)更加相近。因此，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)相同或很相近的原子更加不容易衰變。然而，當原子序數(shù)逐漸增加時，因為質(zhì)子之間的排斥力增強，需要更多的中子來使整個原子核變的穩(wěn)定，所以對上述趨勢有所影響。因此，當原子序數(shù)大于20時，就不能找到一個質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)相等而又穩(wěn)定的原子核了。隨著Z的增加，中子和質(zhì)子的比例逐漸趨于1.5。

核聚變示意圖，圖中兩個質(zhì)子聚變生成一個包含有一個質(zhì)子和一個中子的氘原子核，并釋放出一個正電子（電子的反物質(zhì)）以及一個電子中微子。與此相反的過程是核裂變。10

如果核聚變后產(chǎn)生的原子核質(zhì)量小于聚變前原子質(zhì)量的總和，那么根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，這一些質(zhì)量的差就作為能量被釋放了。這個差別實際是原子核之間的結(jié)合能，對于兩個原子序數(shù)在鐵或鎳之前的原子核來說。

在α粒子散射實驗中，人們發(fā)現(xiàn)，原子的質(zhì)量集中于一個很小且?guī)д姷奈镔|(zhì)中，這就是原子核。

原子核也稱作核子，由原子中所有的質(zhì)子和中子組成，原子核的半徑約等于1.07×A^1/3 fm，其中A是核子的總數(shù)。原子半徑的數(shù)量級大約是105fm，因此原子核的半徑遠遠小于原子的半徑。

組成

原子核由質(zhì)子與中子組成（氫原子核只有一個質(zhì)子），量子態(tài)。

質(zhì)子（proton）

質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成，帶一個單位正電荷，質(zhì)量是電子質(zhì)量的1836.152701(37)倍，為1.6726231(10)×10?2?kg，然而部分質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為原子結(jié)合能。擁有相同質(zhì)子數(shù)的原子是同一種元素，原子序數(shù)=質(zhì)子數(shù)=核電荷數(shù)=核外電子數(shù)12。

中子（neutron）

中子是原子中質(zhì)量最大的亞原子粒子，自由中子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的1838.683662(40)倍，為1.6749286(10)×10?2?kg。 中子和質(zhì)子的尺寸相仿，均在2.5×10?1?m這一數(shù)量級，但它們的表面并沒能精確定義。

中子由一個上夸克和兩個下夸克組成，兩種夸克的電荷相互抵銷，所以中子不顯電性，但，認為“中子不帶電”的觀點是錯誤的。

而對于某種特定的元素，中子數(shù)是可以變化的，擁有不同中子數(shù)的同種元素被稱為同位素。中子數(shù)決定了一個原子的穩(wěn)定程度，一些元素的同位素能夠自發(fā)進行放射性衰變。

核力（nuclear force）

原子核被一種強力束縛在線度為10?1?m的區(qū)域內(nèi)。由于質(zhì)子帶正電，根據(jù)庫侖定律，質(zhì)子間的排斥作用本會使原子核爆裂，但，原子核中有一種力，把質(zhì)子和中子緊緊束縛在一起，這種力就是核力。在一定距離內(nèi)，核力遠遠大于靜電力，克服了帶正電的質(zhì)子間的相互排斥7。

核力的作用范圍被稱作力程，作用范圍在2.5fm左右，最多不超過3fm7，即，不能從一個原子核延伸到另一個原子核，因此，核力屬于短程力。

核素（nuclide）

具有相同質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子核稱為核素，而用x軸表示質(zhì)子數(shù)；用y軸表示中子數(shù)所得到的圖像就被稱為核素圖，由圖可以發(fā)現(xiàn)，在x∈{0，1，2，3，…，20}時，核素圖上的函數(shù)近似y=x，但隨著質(zhì)子數(shù)的增加，質(zhì)子間的庫侖斥力明顯增強，原子核需要比往常更多的中子數(shù)維持原子核的未定，在x∈{21，22，23，…，112}時，函數(shù)近似為y=1.5x，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)7。

結(jié)合能（energy of the nucleus）

在原子核中，將核子從原子核中分離做功消耗的能量，被稱為結(jié)合能。實驗發(fā)現(xiàn)，任一原子核的質(zhì)量總是小于其組成核子的質(zhì)量和（這一差值被稱為質(zhì)量虧損），因此，結(jié)合能可以由愛因斯坦質(zhì)能方程推算713：

結(jié)合能=（原子核內(nèi)所有質(zhì)子、中子的靜止質(zhì)量和-原子核靜止質(zhì)量）×光速^2

平均結(jié)合能（binding e.o.t.n）

一個原子核中每個核子結(jié)合能的平均值被稱作平均結(jié)合能，計算公式為13：

每個核子的平均結(jié)合能=總結(jié)合能÷核子數(shù)

平均結(jié)合能越大，原子核越難被分解成單個的核子7。由右圖可以看出：

①重核的平均結(jié)合能比中核小，因此，它們?nèi)菀装l(fā)生裂變并放出能量。

②輕核的平均結(jié)合能比稍重的核的平均結(jié)合能小，因此，當輕核發(fā)生聚變時會放出能量7。

原子的范德華半徑是指在分子晶體中，分子間以范德華力結(jié)合，如稀有氣體相鄰兩原子核間距的一半。

原子核中的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)也是可以變化的，不過因為它們之間的力很強，所以需要很高的能量，當多個粒子聚集形成更重的原子核時，就會發(fā)生核聚變，例如兩個核之間的高能碰撞與此相反的過程是核裂變，在核裂變中，一個核通常是經(jīng)過放射性衰變，分裂成為兩個更小的核。使用高能的亞原子粒子或光子轟擊也能夠改變原子核。如果在一個過程中，原子核中質(zhì)子數(shù)發(fā)生了變化，則此原子就變成了另外一種元素的原子了。

對于兩個原子序數(shù)在鐵或鎳之前的原子核來說，它們之間的核聚變是一個放熱過程，也就是說過程釋放的能量大于將它們連在一起的能量。正是因為如此，流體靜力平衡。

性質(zhì)放射性每一種元素都有一個或多個同位素擁有不穩(wěn)定的原子核，從而能發(fā)生放射性衰變，在這個過程中，原子核可以釋放出粒子或電磁輻射。當原子核的半徑大于強力的作用半徑時，放射性衰變就可能發(fā)生，而強力的作用半徑僅為幾飛米。

最常見的放射性衰變?nèi)缦拢?/p>

α衰變：原子核釋放一個α粒子，即含有兩個質(zhì)子和兩個中子的氦原子核。衰變的結(jié)果是產(chǎn)生一個原子序數(shù)低一些的新元素。

β衰變：弱相互作用的現(xiàn)象，過程中一個中子轉(zhuǎn)變成一個質(zhì)子或者一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變成一個中子。前者伴隨著一個電子和一個反中微子的釋放，后者則釋放一個正電子和一個中微子。所釋放的電子或正電子被叫做β粒子。因此，β衰變能夠使得該原子的原子序數(shù)增加或減少一。

γ衰變：原子核的能級降低，釋放出電磁波輻射，通常在釋放了α粒子或β粒子后發(fā)生。

其它比較罕見的放射性衰變還包括：釋放中子或質(zhì)子，釋放核子團或電子團，通過內(nèi)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生高速的電子而非β射線以及高能的光子而非伽馬射線。

每一個放射性同位素都有一個特征衰變期間，即半衰期。半衰期就是一半樣品發(fā)生衰變所需要的時間。這是一種指數(shù)衰變，即樣品在每一個半衰期內(nèi)恒定的衰變50%，換句話說，當兩次半衰期之后，就只剩下25%的起始同位素了。

磁矩基本微粒都有一個固有性質(zhì)，就像在宏觀物理中圍繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的物體都有角動量一樣，在量子力學中被叫做自旋。但是嚴格來說，這些微粒僅僅是一些點，不能夠旋轉(zhuǎn)。自旋的單位是約化普朗克常數(shù)，電子、質(zhì)子和中子的自旋都是?。在原子里，電子圍繞原子核運動，所以除了自旋，它們還有軌道角動量。而對于原子核來說，軌道角動量是起源于自身的自旋。

正如一個旋轉(zhuǎn)的帶電物體能夠產(chǎn)生磁場一樣，一個原子所產(chǎn)生的磁場，即它的磁矩，就是**由這些不同的角動量決定的。**然后，自旋對它的影響應(yīng)該是最大的。因為電子的一個性質(zhì)就是要符合泡利不相容原理，即不能有兩個位于同樣量子態(tài)的電子，所以當電子成對時，總是一個自旋朝上而另外一個自旋朝下。這樣，它們產(chǎn)生的磁場相互抵消。對于某些帶有偶數(shù)個電子的原子，總的磁偶極矩會被減少至零。

對于鐵磁性的元素，例如鐵，因為電子總數(shù)為奇數(shù)，所以會產(chǎn)生一個凈磁矩。同時，因為相鄰原子軌道重疊等原因，當未成對電子都朝向同一個方向時，體系的總能量最低，這個過程被稱為交換相互作用。當這些鐵磁性元素的磁動量都統(tǒng)一朝向后，整個材料就會擁有一個宏觀可以測量的磁場。順磁性材料中，在沒有外部磁場的情況下，原子磁矩都是隨機分布的；施加了外部磁場以后，所有原子都會統(tǒng)一朝向，產(chǎn)生磁場。

原子核也可以存在凈自旋。由于熱平衡，通常這些原子核都是隨機朝向的。但對于一些特定元素，例如氙-129，一部分核自旋也是可能被極化的，這個狀態(tài)被叫做超極化，在核磁共振成像中有很重要的應(yīng)用。

能級原子中，電子的勢能與它離原子核的距離成反比。測量電子的勢能，通常的測量將讓該電子脫離原子所需要的能量，單位是電子伏特（eV）。在量子力學模型中，電子只能占據(jù)一組以原子核為中心的狀態(tài)，每一個狀態(tài)就對應(yīng)于一個能級。最低的能級就被叫做基態(tài)，而更高的能級就被叫做激發(fā)態(tài)。

電子要在兩個能級之間躍遷的前提是它要吸收或者釋放能量，該能量還必須要和這兩個能級之間的能量差一致。因為釋放的光子能量只與光子的頻率有關(guān)，并且能級是不連續(xù)的，所以在電磁波譜中就會出現(xiàn)一些不連續(xù)的帶。每一個元素都有一個特征波譜，特征波譜取決于核電荷的多少，電子的填充情況，電子間的電磁相互作用以及一些其他的因素。

當一束全譜的光經(jīng)過一團氣體或者一團等離子體后，一些光子會被原子吸收，使得這些原子內(nèi)的電子躍遷。而在激發(fā)態(tài)的電子則會自發(fā)的返回低能態(tài)，能量差作為光子被釋放至一個隨機的方向。前者就使那些原子有了類似于濾鏡的功能，觀測者在最后接收到的光譜中會發(fā)現(xiàn)一些黑色的吸收能帶。而后者能夠使那些與光線不在同一條直線上的觀察者觀察到一些不連續(xù)的譜線，實際就是那些原子的發(fā)射譜線。對這些譜線進行光譜學測量就能夠知道該物質(zhì)的組成以及物理性質(zhì)。

在對譜線進行了細致的分析后，科學家發(fā)現(xiàn)一些譜線有著精細結(jié)構(gòu)的裂分。這是因為自旋與最外層電子運動間的相互作用，也被稱作自旋-軌道耦合。當原子位于外部磁場中時，譜線能夠裂分成三個或多個部分，這個現(xiàn)象被叫做塞曼效應(yīng)，其原因是原子的磁矩及其電子與外部磁場的相互作用。一些原子擁有許多相同能級電子排布，因而只產(chǎn)生一條譜線。當這些原子被安置在外部磁場中時，這幾種電子排布的能級就有了一些細小的區(qū)別，這樣就出現(xiàn)了裂分。外部電場的存在也能導(dǎo)致類似的現(xiàn)象發(fā)生，被稱為斯塔克效應(yīng)。

**如果一個電子在激發(fā)態(tài)，一個有著恰當能量的光子能夠使得該電子受激輻射，釋放出一個擁有相同能量的光子，其前提就是電子返回低能級所釋放出來的能量必須要與與之作用的光子的能量一致。此時，受激釋放的光子與原光子向同一個方向運動，也就是說這兩個光子的波是同步的。**利用這個原理，人們設(shè)計出了激光，用來產(chǎn)生一束擁有很窄頻率相干光源。

態(tài)物質(zhì)很多不同的相態(tài)之中都存在原子，這些相態(tài)都由一定的物理條件所決定，例如溫度與壓強。通過改變這些條件，物質(zhì)可以在固體、液體、氣體與等離子體之間轉(zhuǎn)換。在同一種相態(tài)中，物質(zhì)也可以有不同的形態(tài)，例如固態(tài)的碳就有石墨和金剛石兩種形態(tài)。

當溫度很靠近絕對零度時，原子可以形成玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。這些超冷的原子可以被視為一個超原子，使得科學家可以研究量子力學的一些基本原理。

重要參數(shù)質(zhì)量數(shù)（mass number）由于質(zhì)子與中子的質(zhì)量相近且遠大于電子，所以用原子的質(zhì)子和中子數(shù)量的總和定義相對原子質(zhì)量，稱為質(zhì)量數(shù)。

相對原子質(zhì)量原子的靜止質(zhì)量通常用統(tǒng)一原子質(zhì)量單位（u）來表示，也被稱作道爾頓（Da）。這個單位被定義為電中性的碳12質(zhì)量的十二分之一，約為1.66×10?2?kg。氫最輕的一個同位素氕是最輕的原子，重量約為1.007825u。一個原子的質(zhì)量約是質(zhì)量數(shù)與原子質(zhì)量單位的乘積。最重的穩(wěn)定原子是鉛-208，質(zhì)量為207.9766521u。

摩爾（mole）就算是最重的原子，化學家也很難直接對其進行操作，所以它們通常使用另外一個單位摩爾。摩爾的定義是對于任意一種元素，一摩爾總是含有同樣數(shù)量的原子，約為6.022×1023個【2010年CODATA數(shù)據(jù)：】。因此，如果一個元素的原子質(zhì)量為1u，一摩爾該原子的質(zhì)量就為（1.66×10?2?x6.022×1023=9.99652x10??≈10x10??=0.001kg）0.001kg，也就是1克。例如，碳-12的原子質(zhì)量是12u，一摩爾碳的質(zhì)量則是0.012kg。

物質(zhì)構(gòu)成金屬單質(zhì)（例：鐵、銅、鋁等）

少數(shù)非金屬單質(zhì)（例：金剛石、石墨、磷等）

稀有氣體（例：氦氣、氖氣、氬氣）

原子和離子的區(qū)別與聯(lián)系

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起源和現(xiàn)狀核合成穩(wěn)定的質(zhì)子和電子在大爆炸后的一秒鐘內(nèi)出現(xiàn)。在接下來的三分鐘之內(nèi)，太初核合成產(chǎn)生了宇宙中大部分的氦、鋰和氘，有可能也產(chǎn)生了一些鈹和硼。在理論上，最初的原子（有束縛的電子）是在大爆炸后大約380,000 年產(chǎn)生的，這個時代稱為重新結(jié)合，在這時宇宙已經(jīng)冷卻到足以使電子與原子核結(jié)合了。自從那時候開始，原子核就開始在恒星中通過核聚變的過程結(jié)合，產(chǎn)生直到鐵的元素。

像鋰-6那樣的同位素是在太空中通過宇宙射線散裂產(chǎn)生的。這種現(xiàn)象在高能量的質(zhì)子撞擊原子核時會發(fā)生，造成大量核子被射出。比鐵重的元素在超新星中通過r-過程產(chǎn)生，或在AGB星中通過s-過程產(chǎn)生，兩種過程中都有中子被原子核捕獲。像鉛那樣的元素，大都是從更重的元素通過核衰變產(chǎn)生的。

地球大部分組成地球及其居民的原子，都是在太陽系剛形成的時候就已經(jīng)存在了。還有一部分的原子是核衰變的結(jié)果，它們的相對比例可以用來通過放射性定年法決定地球的年齡。大部分地殼中的氦都是α衰變的產(chǎn)物。

地球上有很少的原子既不是在一開始就存在的，也不是放射性衰變的結(jié)果。碳-14是大氣中的宇宙射線所產(chǎn)生的。有些地球上的原子是核反應(yīng)堆或核爆炸的產(chǎn)物，要么是特意制造的，要么是副產(chǎn)物。在所有超鈾元素──原子序數(shù)大于92的元素中，只有钚和镎在地球中自然出現(xiàn)。超鈾元素的壽命比地球的年齡短，因此許多這類的元素都早已衰變了，只有微量的钚-244例外。钚和镎的自然礦藏是在鈾礦中通過中子俘獲產(chǎn)生的。

地球含有大約1.33x10E50個原子。在地球的大氣層中，含有少量的惰性氣體原子，例如氬和氖。大氣層剩下的99%的部分，是以分子的形式束縛的，包括二氧化碳、雙原子的氧氣和氮氣。在地球的表面上，原子結(jié)合并形成了各種各樣的化合物，包括水、鹽、硅酸鹽和氧化物。原子也可以結(jié)合起來組成不含獨立分子的物質(zhì)，包括晶體和液態(tài)或固態(tài)金屬。

罕見和理論形式雖然原子序數(shù)大于82（鉛）的元素已經(jīng)知道是放射性的，但是對于原子序數(shù)大于103的元素，提出了“穩(wěn)定島”的概念。在這些超重元素中，可能有一個原子核相對來說比其它原子核穩(wěn)定。最有可能的穩(wěn)定超重元素是Ubh，它有126 個質(zhì)子和184 個中子。

每一個粒子都有一個對應(yīng)的反物質(zhì)粒子，電荷相反。因此，正電子就是帶有正電荷的反電子，反質(zhì)子就是與質(zhì)子對等，但帶有負電荷的粒子。不知道什么原因，在宇宙中反物質(zhì)是非常稀少的，因此在自然界中沒有發(fā)現(xiàn)任何反原子。然而，1996年，在日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心，首次合成了反氫──氫的反物質(zhì)。

把原子中的質(zhì)子、中子或電子用相等電荷的其它粒子代替，可以形成奇異原子。例如，可以把電子用質(zhì)量更大的μ子代替，形成μ子原子。這些類型的原子可以用來測試物理學的基本預(yù)言。

原子半徑原子沒有一個精確定義的最外層，通常所說的原子半徑是根據(jù)相鄰原子的平均核間距測定的。

共價半徑

我們測得氯氣分子中兩個Cl原子的核間距為1.988Α，就把此核間距的一半，即0.994Α定為氯原子的半徑，此半徑稱為共價半徑。共價半徑為該元素單質(zhì)鍵長的一半。

金屬半徑

另外，我們也可以測得金屬單質(zhì)比如銅中相鄰兩個銅原子的核間距，其值的一半稱為金屬半徑14。

范德華半徑

指在分子晶體中，分子間以范德華力結(jié)合，如稀有氣體相鄰兩原子核間距的一半。

部分元素的原子半徑表

下表為一些元素的原子半徑（pm），數(shù)據(jù)取自《無機化學-第四版》（2000年16）和j.chem.phys（1967）。

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注：表中非金屬元素為共價半徑、金屬元素為金屬半徑、稀有氣體為范德華半徑

注：許多元素的半徑值在不同書籍中差異較大，其原因有：

①原子半徑的單位有(pm)和埃(Α)兩種，Α=100pm。

②原子半徑的測定方法不同。

③原子半徑的種類不同。

原子半徑的周期規(guī)律

在元素周期表中，原子的半徑變化的大體趨勢是自上而下增加，而從左至右減少。因此，最小的原子是氫，半徑為0.28??；最大的原子是銫，半徑為2.655Α。因為這樣的尺寸遠遠小于可見光的波長（約400～700nm），所以不能夠通過光學顯微鏡來觀測它們。然而，使用掃描隧道顯微鏡，我們能夠觀察到單個原子。

磁性概述電子是一種帶電體，正如所有帶電體一樣，電子旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生一個磁場，因此，不同的原子往往有不同的磁學特性。

分子軌道理論可以很好地解釋分子的磁性問題，例如氧氣的順磁性12。

逆磁性

一些物質(zhì)的原子中電子磁矩互相抵消，合磁矩為零。當受到外加磁場作用時，電子軌道運動會發(fā)生變化，而且在與外加磁場的相反方向產(chǎn)生很小的合磁矩。常見的逆磁性金屬有Bi、Cu、Ag、Au。

順磁性

順磁性物質(zhì)的主要特點是原子或分子中含有沒有完全抵消的電子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。但是原子磁矩之間并無強的相互作用(一般為交換作用)，因此原子磁矩在熱騷動的影響下處于無規(guī)(混亂)排列狀態(tài)，原子磁矩互相抵消而無合磁矩。但是當受到外加磁場作用時，這些原來在熱騷動下混亂排列的原子磁矩便同時受到磁場作用使其趨向磁場排列和熱騷動作用使其趨向混亂排列，因此總的效果是在外加磁場方向有一定的磁矩分量。這樣便使磁化率(磁化強度與磁場強度之比)成為正值，但數(shù)值也是很小，一般順磁物質(zhì)的磁化率約為十萬分之一(10??)，并且隨溫度的降低而增大。

常見的順磁性物質(zhì)有：氧氣、一氧化氮、鉑。

核性質(zhì)放射性

某些物質(zhì)的原子核能發(fā)生衰變，放出我們?nèi)庋劭床灰娨哺杏X不到的射線，只能用專門的儀器才能探測到的射線。物質(zhì)的這種性質(zhì)叫放射性。

衰變

不穩(wěn)定(即具有放射性)的原子核在放射出粒子及能量后可變得較為穩(wěn)定，這個過程稱為衰變（Radioactive decay）。這些粒子或能量（后者以電磁波方式射出）統(tǒng)稱輻射（radiation）。由不穩(wěn)定原子核發(fā)射出來的輻射可以是α（氦原子核）粒子、β（電子或正電子）粒子、γ射線或中子。

放射性核素在衰變過程中，該核素的原子核數(shù)目會逐漸減少。衰變至只剩下原來質(zhì)量一半所需的時間稱為該核素的半衰期（half-life）。每種放射性核素都有其特定的半衰期，由幾微秒到幾百萬年不等。

原子核由于放出某種粒子而變?yōu)樾潞说默F(xiàn)象．原子核是一個量子體系，核衰變是原子核自發(fā)產(chǎn)生的變化，它是一個量子躍遷過程，它服從量子統(tǒng)計規(guī)律．對任何一個放射性核素，它發(fā)生衰變的精確時刻是不能預(yù)知的，但作為一個整體，衰變的規(guī)律十分明確．若在dt時間間隔內(nèi)發(fā)生核衰變的數(shù)目為dN，它必定正比于當時存在的原子核數(shù)目N，顯然也正比于時間間隔dt。

衰變有3種：α衰變 、β衰變和γ衰變。

核裂變（nuclear fission）

核裂變指是一個原子核分裂成幾個原子核的變化，核裂變通常由中子轟擊質(zhì)量數(shù)較大的原子核引起，原子核裂變后會形成兩個質(zhì)量相當?shù)牟糠?，并放出能量，有時會導(dǎo)致鏈式反應(yīng)的發(fā)生。能量=質(zhì)量╳光速的平方17

核聚變

核聚變是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。原子核中蘊藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變，如原子彈爆炸；如果是由輕的原子核變化為重的原子核，叫核聚變，如太陽和氫彈?，F(xiàn)在人類只能和平利用核裂變，不能和平利用核聚變。

穩(wěn)定性原子核的穩(wěn)定性，是指原子核不會自發(fā)地改變其質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)和它的基本性質(zhì)。按原子核的穩(wěn)定性可分為穩(wěn)定原子核和不穩(wěn)定(或放射性)原子核兩類。

1．原子核中的質(zhì)子數(shù)等于和大于84的原子核是不穩(wěn)定的。即原子序數(shù)84以后的元素均為放射性元素。

2．具有少于84個質(zhì)子的原子核，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)時，其核穩(wěn)定。

3．質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)等于2，8，20，28，50，82，126的原子核特別穩(wěn)定。這些數(shù)稱為幻數(shù)。質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是幻數(shù)，稱為雙幻數(shù)核。

4.中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之比n/p，在Z