如何看到原子隐藏的结构？

看见原子：原子结构探索 — **氦原子结构**：中心是由2个质子和2个中子组成的致密原子核（尺度：1飞米）。周围模糊的电子云代表电子在基态（1s）的出现概率。
图片来源：Wikipedia （新窗口） — 公共领域。

科学摘要

Astronoo的文章介绍了原子——物质的基本组成部分。它追溯了从古代到卢瑟福的原子发现历史，并解释了其结构：致密的原子核和电子云。经典物理学无法解释的原子稳定性，通过量子力学和薛定谔方程得到了解决。文章展示了通过扫描隧道显微镜获得的金表面图像，说明了原子的直接可视化，以及IBM在1990年逐个定位原子的历史壮举。文章还讨论了原子半径、其可变性以及原子力显微镜的最新进展。

科学家们是如何成功地看到并理解原子这个难以捉摸的实体的结构的？

本文探索了原子结构，从希腊哲学家的早期假设到通过扫描隧道显微镜获得的现代图像。它详细介绍了原子的大小、质量和组成，以及通过量子力学解决的稳定性悖论。读者会发现原子并非不可分割，而是由原子核和电子云组成。STM等技术进步如今使我们能够直接可视化原子，如金图像所示，甚至可以逐个移动原子，正如IBM在1990年所证明的那样。文章还讨论了能级的量子化和核子的分布。这个深入物质核心的旅程揭示了无限小的复杂性和优雅性，并回答了根本问题：我们对原子真正了解多少？

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原子结构

原子的历史与发现

我们所看到的一切都由原子组成，来自希腊语“atomos”（不可分割）的许多原子。早在公元前4世纪，希腊哲学家留基伯和德谟克利特就提出假设，认为所有物质都由微小的、永动不息、非常坚固且永恒的粒子组成。今天我们对原子有了更精确的认识，因为它并非不可分割。

其近似大小自1811年以来就已为人所知，阿莫迪欧·阿伏伽德罗估计原子的大小为10^-10米。1911年，欧内斯特·卢瑟福精确了原子的结构，并给出了原子核的大小约为10^-14米。

原子的大小、质量与组成

关于原子的大小，我们谈论原子轨道，即围绕原子核的电子云。这个云的理论直径范围从氦原子的62 pm（皮米）到铯原子的596 pm。物质的性质并不简单，这个微小的距离会根据周围原子的化学性质而变化。

尽管原子核集中了原子的大部分质量（99.99%），但其质量也是已知的；对于稳定原子，其范围从氢的1.674×10^-24 g到铀的3.953×10^-22 g。

其组成也是已知的：内部我们看到一个原子核和一个占据原子整个空间范围的电子云，因为它比原子核大约10万倍。更令人惊讶的是，我们甚至知道可观测宇宙中原子数量的数量级：估计约为10⁸⁰，即1后面跟80个零——这个值是通过估计的恒星数量（约10²³）及其平均质量换算成等效氢原子数量得出的。

原子的稳定性

经典物理学的悖论

原子的稳定性无法用经典物理学来解释，因为在经典物理学中，带负电的粒子电子和带正电的质子引发了一个悖论。

在经典物理学中，物质应该消失、湮灭，因为围绕原子核辐射的电子会损失能量（麦克斯韦理论），因此应该落到原子核上。这意味着原子的稳定性在经典理论框架内是无法理解的。

量子力学的解决方案

20世纪的科学天才们在1924年解决了这个悖论，这要归功于路易·德布罗意（1892-1987）的波动力学，1926年由埃尔温·薛定谔（1887-1961）加以推广，他与保罗·狄拉克（1902-1984）因波动方程——薛定谔方程——于1933年获得诺贝尔物理学奖。

在量子力学中，不进行测量就无法准确知道参数的值。数学理论不是通过精确的速度-位置对来描述状态，而是通过波函数（态矢量）来描述，它可以计算在某个点找到粒子的概率。因此，量子力学的概率性质预言粒子也是波，而不仅仅是质点。

轨道与化学键

电子通过电磁力与原子核相互作用，占据原子轨道，而核子则通过核结合力在原子核内保持在一起。

电子云在原子核周围分层为量子化的能级，定义了电子壳层和亚壳层。核子也分布在核壳层中，尽管一个相当方便的模式根据液滴模型普及了核结构。

多个原子可以通过其电子建立化学键，一般来说，原子的化学性质由其电子构型决定，而电子构型又由其原子核中的质子数决定。这个数称为原子序数，定义了一种化学元素。

可见的金原子

用扫描隧道显微镜观察金原子

在物质的最接近处，纯金（Au 100）的表面由扫描隧道显微镜详细呈现。图像中可见的金原子在金的晶体结构上规则排列。这张原子图像由埃因霍温理工大学的Erwin Rossen于2006年使用低温Omicron STM拍摄。

扫描隧道显微镜观察到的纯金原子图像 — 扫描隧道显微镜（STM）观察到的金原子：原子级分辨率的**金表面** Au(100) 图像（2006年）。图像中可见的规则带说明了金晶体该面特有的**“准六边形”表面重构**：更致密的上层原子层在下面的立方晶格上重排为轻微压缩的六边形图案，从而产生这些略有偏移的原子行。
图片来源：Erwin Rossen （新窗口），埃因霍温理工大学，2006年 — 公共领域。

IBM的历史性壮举：用原子写字

看见原子是一回事，逐个移动它们是另一回事。1989年11月，加利福尼亚IBM阿尔马登研究中心的物理学家唐纳德·艾格勒和埃哈德·施魏策尔证明了这一点。他们利用扫描隧道显微镜的针尖作为原子镊子，在冷却至4开尔文（即-269°C）的镍表面上逐个移动了35个氙原子，组成了“IBM”三个字母。这一精细操作耗时约22小时。所得标志仅高5纳米、宽17纳米，约为普通印刷字母的50万分之一。1990年发表在Nature杂志上，这张图像成为纳米科学诞生的象征：它证明了扫描隧道显微镜不仅能观察原子，还能操纵它们，并用最基本的物质进行构建。这种逐原子操纵技术至今仍是实验室工具而非工业制造工艺，因为所需条件（高真空、接近绝对零度的温度）对大规模生产来说过于苛刻。

超越STM：原子力显微镜与最新进展

扫描隧道显微镜（STM）有一个局限性：它需要导电表面，因为它测量的是针尖和样品之间“隧穿”的电子电流。为了研究绝缘材料或单个分子，研究人员使用了一种1986年开发的补充技术：原子力显微镜（AFM），它测量的不是电流，而是超细针尖与表面原子之间的相互作用力，从而可以探测几乎任何材料。

自2010年代中期以来，这些技术取得了长足进步。2023年，一个研究团队利用AFM直接观察了有机分子中单个金属原子的电子轨道特征，这一壮举在单个原子尺度上证实了薛定谔方程一个世纪以来预测的形状。同年，另一个团队开发了一种基于扫描透射电子显微镜（STEM）的技术，能够在原子尺度上绘制二维材料中的电子密度图。这些测量仍然是间接的（我们不“拍摄”电子像普通物体一样），但它们每年都使理论量子物理学更接近直接观察。

原子的大小

元素的原子半径

一些原子的理论（计算）原子半径（大小以皮米（10^-12米）为单位）。原子半径是两个相邻原子核之间距离的一半。表中给出的数值仅供参考。

原子的理论大小（皮米，pm）
（1 pm = 10^-12 米）
元素	大小	元素	大小	元素	大小	元素	大小
H 氢：每个能级的电子数 1	53	Ca 钙：每个能级的电子数 2, 8, 8, 2	194	Y 钇：每个能级的电子数 2, 8, 18, 9, 2	212	Hf 铪：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 10, 2	208
He 氦：每个能级的电子数 2	31	Sc 钪：每个能级的电子数 2, 8, 9, 2	184	Zr 锆：每个能级的电子数 2, 8, 18, 10, 2	206	Ta 钽：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 11, 2	200
Li 锂：每个能级的电子数 2, 1	167	Ti 钛：每个能级的电子数 2, 8, 10, 2	176	Nb 铌：每个能级的电子数 2, 8, 18, 12, 1	198	W 钨：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 12, 2	193
Be 铍：每个能级的电子数 2, 2	112	V 钒：每个能级的电子数 2, 8, 11, 2	171	Mo 钼：每个能级的电子数 2, 8, 18, 13, 1	190	Re 铼：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 13, 2	188
B 硼：每个能级的电子数 2, 2	87	Cr 铬：每个能级的电子数 2, 8, 13, 1	166	Tc 锝：每个能级的电子数 2, 8, 18, 13, 2	183	Os 锇：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 14, 2	185
C 碳：每个能级的电子数 2, 4	67	Mn 锰：每个能级的电子数 2, 8, 13, 2	161	Ru 钌：每个能级的电子数 2, 8, 18, 15, 1	178	Ir 铱：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 15, 2	180
N 氮：每个能级的电子数 2, 5	56	Fe 铁：每个能级的电子数 2, 8, 14, 2	156	Rh 铑：每个能级的电子数 2, 8, 18, 16, 1	173	Pt 铂：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 17, 1	177
O 氧：每个能级的电子数 2, 6	48	Co 钴：每个能级的电子数 2, 8, 15, 2	152	Pd 钯：每个能级的电子数 2, 8, 18, 18	169	Au 金：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 18, 1	174
F 氟：每个能级的电子数 2, 7	42	Ni 镍：每个能级的电子数 2, 8, 16, 2 或 2, 8, 17, 1	149	Ag 银：每个能级的电子数 2, 8, 18, 18, 1	165	Hg 汞：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 18, 2	171
Ne 氖：每个能级的电子数 2, 8	38	Cu 铜：每个能级的电子数 2, 8, 18, 1	145	Cd 镉：每个能级的电子数 2, 8, 18, 18, 2	161	Tl 铊：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 18, 3	156
Na 钠：每个能级的电子数 2, 8, 1	190	Zn 锌：每个能级的电子数 2, 8, 18, 2	142	In 铟：每个能级的电子数 2, 8, 18, 18, 3	156	Pb 铅：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 18, 4	154
Mg 镁：每个能级的电子数 2, 8, 2	145	Ga 镓：每个能级的电子数 2, 8, 18, 3	136	Sn 锡：每个能级的电子数 2, 8, 18, 18, 4	145	Bi 铋：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 18, 5	143
Al 铝：每个能级的电子数 2, 8, 3	118	Ge 锗：每个能级的电子数 2, 8, 18, 4	125	Sb 锑：每个能级的电子数 2, 8, 18, 18, 5	133	Po 钋：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 18, 6	135
Si 硅：每个能级的电子数 2, 8, 4	111	As 砷：每个能级的电子数 2, 8, 18, 5	114	Te 碲：每个能级的电子数 2, 8, 18, 18, 6	123	At 砹：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 18, 7	127
P 磷：每个能级的电子数 2, 8, 5	98	Se 硒：每个能级的电子数 2, 8, 18, 6	103	I 碘：每个能级的电子数 2, 8, 18, 18, 7	115	Rn 氡：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 18, 8	120
S 硫：每个能级的电子数 2, 8, 6	88	Br 溴：每个能级的电子数 2, 8, 18, 7	94	Xe 氙：每个能级的电子数 2, 8, 18, 18, 8	108
Cl 氯：每个能级的电子数 2, 8, 7	79	Kr 氪：每个能级的电子数 2, 8, 18, 8	88	Cs 铯：每个能级的电子数 2, 8, 18, 18, 8, 1	298
Ar 氩：每个能级的电子数 2, 8, 8	71	Rb 铷：每个能级的电子数 2, 8, 18, 8, 1	265	Ba 钡：每个能级的电子数 2, 8, 18, 18, 8, 2	253
K 钾：每个能级的电子数 2, 8, 8, 1	243	Sr 锶：每个能级的电子数 2, 8, 18, 8, 2	219	Lu 镥：每个能级的电子数 2, 8, 18, 32, 9, 2	217

参考文献

FAQ：关于原子的一切

什么是原子？

原子是保持化学元素性质的最小物质单位。它由一个中心原子核（由质子和中子组成）和围绕其运行的电子组成。原子核致密且带正电，而带负电的电子占据着大得多的电子云。原子的典型大小约为十分之一纳米（10^-10 m）。

原子有多大？

理论原子半径因元素而异。通常介于最小的原子氦的31皮米（pm）和最大的天然原子铯的约298 pm之间。原子半径定义为两个相同键合原子核间距离的一半。这些值取决于测量方法（理论、共价、金属等）和化学环境。相比之下，原子约比人类头发细10万倍。

原子是如何结合在一起的？

在原子内部，电子通过电磁力被原子核吸引，保持在轨道上。在原子核内部，质子和中子通过强核力结合在一起，其强度远大于质子间的电斥力。原子之间通过共享或转移电子形成化学键（共价键、离子键或金属键），从而构建分子和晶体。

为什么原子是稳定的？

原子稳定性是量子力学的结果。根据经典理论，轨道电子应辐射能量并坠入原子核。但电子的波动性和能级量子化限制了电子只能占据离散能级，且不损失能量。基态是最稳定的，原子不会坍缩，因为电子由波函数描述，分布在概率云中。

我们能看见原子吗？

可以，借助扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等仪器。这些设备不像光学显微镜那样工作，而是使用极细的针尖扫描表面并测量与原子的相互作用。获得的图像，如文章中展示的金图像，显示了个别分辨出的原子规则排列。早在1990年，IBM更进一步，逐个移动原子形成图案。这些技术彻底改变了纳米科学。

宇宙中有多少个原子？

可观测宇宙中的原子总数估计约为10⁸⁰（1后面跟80个零）。这个值是通过估计的恒星数量（约10²³）乘以其平均质量（换算为氢原子）得出的。这是一个巨大的数字，但宇宙基本上是空的，普通物质（原子）仅占其总含量的一小部分，大部分是暗物质和暗能量。