科学家怎样给原子“画像”
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【摘要】介绍了原子的结构和功能, 说明了科学家研究原子的方法。
【关键词】德不罗意关系式 薛定谔方程 原子轨道
原子是构成分子和物质的基本粒子，是化学反应的流动体，是核反应的原物质，是微观世界的代表物。多少年来许多科学家都在探求它的结构。它太微小，人们用眼睛和仪器不能看到它们。但是科学家从原子光谱、原子荧光光谱、核磁共振波谱、以及核反应等逐步得到了一些原子内部的信息。后来科学家通过类比、假说、数学计算等方法推导出了原子中电子的运动状态。
科学家通过类比判断出电子的运动与光子的运动大同小异。科学家在对光的研究中起初只看到了其波动性而忽略了其粒子性,后来通过实验证明了光也具有粒子的性质,因而知道了光具有波粒二象性。从此科学家知道了光在一定场合(如光电效应)表现出粒子的性质；在另一些场合(如光的干涉和衍射)表现出波的性质。电子的质量非常小, 微观世界物质(静止质量不为零)的运动是否与光子(静止质量为零)的运动相似呢? 如果这样，在过去的研究中，我们只关注了电子的粒子性而忽略了其波动性。想到此，科学家做了电子的衍射实验，结果证实了电子的确也有波动性。因而电子同光一样也具有波粒二象性。德不罗意把电子同光子类比，以假说的形式提出了德不罗意关系式。他说，任何物质运动都有波动性，物质波的波长只与物质的动量成反比，物质的动量越大形成的物质波的波长越小，物质的动量越小形成的物质波的波长就越大。
薛定谔方程来源于宏观波的波动函数(三角函数)方程，其中所用到的物理量，除了波长计算运用了德不罗意假说而同宏观力学和宏观波动学知识不一样外，其中所用到的动量、动能、电势能、角动量等计算公式以及波动方程同宏观世界一模一样，其中所用到的质能公式就是爱因斯坦狭义相对论中的。也就是说科学家千方百计借助宏观世界的规律来探求微观世界的规律。从德不罗意假说可以看出宏观世界同微观世界大同小异，宏观世界物质的波动性只是很微小而已。在把德布罗意假说中的波长公式代入宏观波的波函数(三角函数)后得到德布罗意波函数。薛定谔千方百计的想制造出包含电子的动能和势能以及波函数的方程，因为电子的动能和势能对电子的运动状态有极大影响，方程中若含有这两个物理量，方程的解能更真实的反映电子的运动状态，且电子的动能和势能较易计算得到。薛定谔先对三维德布罗意波函数的三个自变量求两次偏导数，再将三式相加碰巧得到了含电子动能的方程，为了把电子的势能引入方程，再把上述方程的两边,都加上电子的势能和波函数的乘积，产生了定态解薛定谔方程。用变数分离法求解定态薛定谔方程，得到德布罗意波函数的数学表达式。根据波函数的平方函数做图可以知道电子在原子核周围各处出现的几率密度(这又是一个假说)。这样电子在原子核周围各处的运动状态便清晰可现了。通过计算和做图我们看到核外各电子成对出现，并且各电子对出现在具有一定形状的相对固定的空间，这个空间叫原子轨道。不同的电子层不同亚层上的轨道有不同的能量，这些能量是不连续的。微观粒子的能量呈能级分布，因而微观粒子吸收和放出能量呈现量子化。
通过做图我们不仅看到了电子云的形状,也真正领略了微观世界和宏观世界规律的极端相似。离核近的电子能量低，离核远的电子能量高。电子的运动具有波的性质，而波具有叠加性，因而内外电子可在同一区域同时出现。各轨道上的电子动能不同，因而其波动频率不同，因而各电子波互不干涉，当内外轨道重叠在一起时彼此影响并不大。为了尽量减小电子之间的排斥力，同一亚层上的各轨道尽量远离。同一轨道上的电子两两配对且自旋相反，仿佛电子也是两性体。生命体与非生命体或许都是有性别的，只是表现形式不一样而已。
原子的能态由电子的轨道角动量，自旋角动量以及总角动量决定。当原子核周围有多个电子时，在静电的作用下，各电子的轨道运动势能够相互影响，因而个别电子的角动量总是变化着的，而所有电子的总角动量是保持不变的，此称为角动量的耦合。处在闭合壳层内的电子其轨道角动量耦合量和自旋角动量耦合量都为零，因而在考虑原子态的形成和其能级时只考虑最外层的价电子。一般情况下，原子处在能量最低的状态即基态，基态原子一旦吸收能量就跃迁到较高的能量状态，成为激发态原子。基态原子吸收光能到激发态时，产生原子吸收光谱。各原子具有各自的能级结构，因而各原子具有各自的吸收光谱，就象不同的人有不同的手纹一样，因而根据原子吸收光谱可鉴定原子。根据吸光度的大小与气相中原子的浓度成正比，可对物质定量分析。激发态原子回到较低能级或基态原子时，能产生原子发射光谱(紫外光谱和可见光谱) 和原子荧光光谱，两中光谱都可以用于物质的定性和定量分析。科学家用α 粒子轰击空气中的氮时，发现了原子核中的质子．当科学家用α粒子轰击铍时，原子核中发射出中性射线，科学家称之为中子。质子和中子统称核子。有些科学家认为核子在原子核中熔化成夸克，夸克是构成原子核的基本单元，有些科学家认为夸克和电子都是有不可见的弦构成的，弦理论被称做宇宙的万能定理。原子核中的质子都带正电荷，其为什么没有排斥开来呢？是核力在起作用，核力是核子之间的强烈吸引力。核子之间的距离小到一定程度时就产生核力，核力具有饱和性，因而各种原子核的密度是相同的，且极大。核力与电荷无关。核子之间的距离大到一定程度时核力表现为斥力。有些科学家认为核力是夸克之间的相互作用，夸克之间相互作用的媒介子是胶子，此理论叫量子色动力学。放射性原子核的放射性衰变除产生各种射线外，还能够产生新原子。重核的裂变是一个重原子核裂变成两个或多个质量相近的原子核的极复杂的核反应，裂变时不仅放出大量的能量，还释放出中子。轻核聚变是其相反的过程，但比重核的裂变放出的能量大的多。核反应释放出大量的能量，是我们所必需的新能量来源。核反应验证了爱因斯坦质能公式的正确性，有质量的物质必有能量，静物质的总能量等于其静质量乘以光速的平方。
动物质的总能量等于其静质量乘以光速的平方再加上它的动能，也等于其动质量乘以光速的平方。电子自旋产生自旋磁场和自旋磁矩，在外磁场作用下有分立的磁能级,因而会产生磁共振，叫电子顺磁共振, 产生的波谱叫电子顺磁共振谱。各电子自旋磁矩间的相互作用可引起谱线分裂，称为磁共振谱线的精细结构，核自旋磁矩也作用于电子自旋磁矩引起谱线分裂, 称为磁共振谱线的超精细结构。对于核自旋不为零(核电荷数和核质量数都为偶数的原子核不自旋)的核, 同电子一样，也产生自旋磁场和自旋磁矩, 在外磁场作用下有分立的磁能级,因而也产生磁共振，叫核磁共振。从共振谱线可知电子和原子核的自旋磁场的能级呈现量子化。各原子核自旋磁矩间的相互作用以核的自旋弛豫表现出来，核的自旋弛豫实际上是能量在核间的传递，核的自旋弛豫影响核磁共振谱线的宽度。电子绕核运动也会产生轨道磁场,质子和中子都做自旋运动，质子的自旋运动也能产生自旋磁矩，这些磁场对电子顺磁共振谱和核磁共振谱都有影响。
参考文献
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[2]潘道皑.赵成大. 郑载兴. 高等教育出版社.1990.
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