原子的发现历史

早期历史

物质是由离散的单元组成的，可以任意分割的观念已经流传了几千年，但这些观念只是基于抽象的哲学推理，而不是实验的和经验的观察。随着时间的推移，文化和学派的变化，哲学中原子的性质也发生了很大的变化，而这种变化往往带有一些精神因素。尽管如此，原子的基本概念在几千年后仍然被化学家们所采用，因为它可以简明地解释化学领域的一些新发现。

对原子概念现存最早的解释可以追溯到公元前6世纪的古印度。理性主义和必胜主义发展出一套完整的理论来描述原子如何形成更复杂的物体(先成对，后成对)。西方文学是一个世纪以后，这是由勒西普斯提出的，他的学生德谟克利特总结了他的观点。大约在公元前450年，德谟克利特创造了原子这个词，意思是它不能被切割。虽然印度和希腊的原子观只是建立在哲学理解的基础上，但现代科学界仍然使用德谟克利特创造的名称[1]。公元4世纪前后，中国哲学家翟墨也在《莫箐》一书中独立提出了物质的有限可分性概念，并将最小的可分单位称为“端”。

近代史

161年，自然哲学家罗伯特·波义耳出版了《怀疑的化学家》。他认为物质是由不同的“粒子”或原子自由组合而成的，而不是气、土、火、水等基本元素[2]。恩格斯认为波义耳是第一个将化学确立为一门科学的化学家[25]。

1789年，法国贵族拉瓦锡定义了原子这个词。从那以后，原子被用来代表化学变化中的最小单位。

道尔顿在化学哲学新体系中描述的原子是1803。英语教师、自然哲学家约翰·道尔顿用原子的概念解释了为什么不同的元素总是以整数倍数反应，即倍数比例定律。这也解释了为什么有些气体比其他气体更易溶于水。他提出每种元素只包含一种原子，这些原子相互结合形成化合物[3]。

1827年，英国植物学家罗伯特·布朗用显微镜观察了水面上的灰尘，发现它们在无规律地运动，这进一步证明了粒子理论。后来，这种现象被称为布朗运动。

在1877中，德绍尔提出布朗运动是由水分子的热运动引起的。

1897年，在阴极射线的工作中，物理学家约瑟夫·J·J·汤姆逊发现了电子及其亚原子特性，粉碎了原子不可分的假设。汤姆森认为，电子均匀地分布在整个原子中，就像它们分散在均匀正电荷的海洋中一样，它们的负电荷抵消了那些正电荷。这也被称为葡萄干布丁模型[4]。

1909年，在物理学家欧内斯特·卢瑟福的指导下，菲利普·伦纳德用氦离子轰击金箔。发现一小部分离子的偏转角比汤姆逊假设预测的要大得多。卢瑟福根据这个金和铂的实验结果指出，一个原子中的大部分质量和正电荷都集中在原子中心的原子核中，而电子则像行星围绕太阳一样围绕着原子核。当带正电的氦离子经过原子核附近时，会被大角度反射[5]。这是细胞核的核结构。

1913年，在放射性衰变产物的实验中，放射化学家弗雷德里克·索迪发现，对于元素周期表中的每个位置，往往有不止一种原子[6]。玛格丽特·托德创造了同位素这个术语来代表同一种元素中不同种类的原子。在对离子气体的研究过程中，汤姆逊发明了一种新技术，可以用来分离不同的同位素，最终导致了稳定同位素的发现[7]；同年，物理学家尼尔斯·玻尔重访卢瑟福的模型，并将其与普朗克和爱因斯坦的量子化思想联系起来。他认为，电子应该位于原子内部的某些轨道上，并可以在不同的轨道之间跳跃，而不是像以前认为的那样自由地向内或向外移动。当电子在这些固定轨道之间跳跃时，它们必须吸收或释放特定的能量。这个电子跃迁理论可以很好地解释氢原子光谱中位置固定的线[8]，把氢原子光谱中的普朗克常数和里德伯常数联系起来。

1916德国化学家Kossel在调查大量事实后得出结论:任何元素的原子都应该使最外层满足8电子稳定结构[11]。

1919年，物理学家卢瑟福在α粒子轰击氮原子的实验中发现了质子[24]。弗朗西斯·威廉·阿斯顿用质谱证明同位素有不同的质量，同位素之间的质量差是一个整数，这就是所谓的整数法则。

1923年，美国化学家吉尔伯特·牛顿(Gilbert Newton)G . n . Lewis发展了Cosell理论，提出了价键电子对理论[11]。刘易斯假设分子中一个原子的电子和另一个原子的电子以“电子对”的形式在原子间形成化学键。这在当时是一个与正统理论相悖的假设，因为库仑定律表明两个电子是互斥的，但刘易斯的假设很快被化学界接受，从而导致了原子间电子自旋相反假设的提出[15]。

1926，薛定谔(欧文·薛定谔？Dinger)利用louis broglie在1924年提出的波粒二象性假说，建立了一个原子的数学模型，将电子描述为三维波形。但是从数学上讲，位置和动量的精确值是不能同时得到的。

1926年，维尔纳·海森堡提出了著名的测不准原理。这个概念描述了对于测量的某个位置只能获得不确定的动量范围，反之亦然。虽然这个模型很难想象，但它可以解释一些以前观察到的原子无法解释的性质，比如比氢大的原子的谱线。因此，人们不再使用玻尔的原子模型，而是将原子轨道视为电子大概率出现的区域(电子云)[9]。

1930年，科学家发现，当α射线轰击铍-9时，会产生一种电中性射线，穿透力很强。起初，它被认为是γ射线。1932年，奥里奥·居里夫妇发现这种射线可以从石蜡中生成质子；同年，卢瑟福的学生詹姆斯·查德威克确定这是中子[1][24]，而同位素被重新定义为质子数相同而中子数不同的元素。

1950s随着粒子加速器和粒子探测器的发展，科学家可以研究高能粒子之间的碰撞。他们发现中子和质子是强子的一种，它们由更小的夸克粒子组成。核物理的标准模型也发展起来了，可以在亚原子水平上成功地解释整个原子核与亚原子粒子的相互作用。

1985年，Steven Chu和他的同事在贝尔实验室开发了一种新技术，可以用激光冷却原子。威廉·丹尼尔·菲利普斯的团队设法将纳米原子放入磁阱中。这两项技术，加上克劳德·科汉-东努吉团队开发的一种基于多普勒效应的方法，可以将少量原子冷却到微开尔文的温度范围，从而可以高精度地研究原子，为玻色-爱因斯坦凝聚的发现奠定了基础[10]。

历史上，因为单个原子太小，所以被认为不可能进行科学研究。最近，科学家们成功地利用单个金属原子与有机配体连接，形成了单电子晶体管。在一些实验中，通过激光冷却使原子减速并被捕获，这可以带来对物质的更好理解。

原子结构理论模型的发展历史

道尔顿的原子模型

英国自然科学家约翰·道尔顿将古希腊的思辨原子论转化为定量化学理论，提出了世界上第一个原子理论模型。他的理论主要有以下三点[11]:

(1)一切物质都是由非常微小的、不可分的物质粒子组成的，即原子；

(2)同一元素的原子的各种性质和质量都是相同的，而不同元素的原子主要表现为质量不同；

(3)原子是微小的、不可分割的固体球体；

(4)原子是参与化学变化的最小单位。在化学反应中，原子只是重新排列，不会被创造或消失。

虽然被后人证明这是一个失败的理论模型，但道尔顿第一次把原子从哲学中带入了化学研究，明确了未来化学家努力的方向，化学真正摆脱了古代炼金术，因此道尔顿被后人誉为“现代化学之父”。

葡萄干布丁模型

汤姆逊提出的葡萄干布丁模型是第一个具有亚原子结构的原子模型。

在发现电子的基础上，汤姆逊提出了原子葡萄干布丁模型，汤姆逊认为[11]:

①正电荷像流体一样均匀分布在原子中，电子像葡萄干一样分散在正电荷中，它们的负电荷和那些正电荷相互抵消；

(2)电子被激发后会离开原子，产生阴极射线。

汤姆逊的学生卢瑟福完成了α粒子轰击金箔的实验(散射实验)，否定了葡萄干布丁模型的正确性。

土星模型

汤姆逊提出葡萄干布丁模型的同年，日本科学家提出土星模型，认为电子不是均匀分布的，而是集中在围绕原子核的固定轨道上[16]。

行星模型

行星模型是卢瑟福基于经典电磁学提出的，主要内容是[11]:

(1)原子的大部分体积是空的；

(2)在原子的中心有一个非常小、密度极高的原子核；

③原子的全部正电荷都在原子核内，质量几乎全部集中在原子核内。带负电荷的电子在核空间高速绕核运动。

随着科学的进步，氢原子线性光谱的事实说明行星模型是不正确的。

波尔的原子模型

为了解释氢原子的线性光谱，卢瑟福的学生玻尔接受了普朗克的量子理论和爱因斯坦的光子概念，在行星模型的基础上提出了核外电子分层排列的原子结构模型。玻尔原子结构模型的基本观点是[12]:

(1)原子中的电子以一定半径的圆形轨道绕原子核运动，不辐射能量。

(2)不同轨道运动的电子，能量(E)不同，能量是量子化的。轨道能量随着n(1，2，3，...)，而n称为量子数。不同的轨道分别命名为K(n=1)，L(n=2)，N(n=3)，O(n=4)，P(n=5)。

③当且仅当电子从一个轨道跳到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表示并记录下来，就形成了光谱。

玻尔的原子模型很好地解释了氢原子的线性光谱，但对于更复杂的光谱现象却无能为力。

现代量子力学模型

物理学家德布罗意、薛定谔、海森堡等人经过13年的艰苦论证，在现代量子力学模型中玻尔原子模型的基础上很好地解释了许多复杂的光谱现象，其核心是波动力学。在玻尔原子模型中，轨道只有一个量子数(主量子数)，但现代量子力学模型引入了更多的量子数(量子数)[11] [12]。

①主量子数，主量子数决定不同的电子层，命名为K、L、M、N、O、P和q

(2)角量子数(数)和角量子数决定不同的能级。符号“L”* * n个值(1，2，3，...n-1)，符号为S、P、D、F，表示对于多电子原子，电子的运动状态与L有关。

③磁量子数磁量子数决定不同能级的轨道，符号为“m”(见下文“磁矩”)。仅在施加磁场时有用。“N”、“L”、“M”这三个量决定了一个原子的运动状态。

(4)自旋m.q.n同一轨道的电子有两种自旋，即“↑↓”。目前，自旋现象的本质仍在讨论中。