原子是什么？

原子是所有物質(zhì)的基本組成單位。但原子是什么，它們是如何像構(gòu)造建筑一樣組成物質(zhì)呢？

原子序數(shù)

所有的物質(zhì)都由原子組成。一個(gè)原子有一個(gè)由質(zhì)子和中子組成并且被零或多個(gè)電子環(huán)繞的核心。為了把原子分類，我們需要知道它有多少質(zhì)子、中子以及電子。

原子的質(zhì)子數(shù)決定了它是哪種元素。例如氧原子總是有8個(gè)質(zhì)子。碳原子總是有6個(gè)質(zhì)子。金原子總有79個(gè)質(zhì)子。如果你看過元素周期表，大概就會(huì)知道元素是按照它的質(zhì)子數(shù)排列的。所以原子的質(zhì)子數(shù)也叫作它的原子序數(shù)。

中子讓我看起來很胖嗎？

除了質(zhì)子，原子核也含有中子。宇宙中每個(gè)碳原子含有6個(gè)質(zhì)子，但中子數(shù)卻不一定相同。大多數(shù)碳原子（約98.9%）有6個(gè)中子。然而約1.1%的碳原子有7個(gè)中子。原子的質(zhì)量取決于中子及質(zhì)子的數(shù)量。所以一個(gè)有6個(gè)中子的碳原子的質(zhì)量應(yīng)該是12（因?yàn)樘荚涌傆?個(gè)質(zhì)子）。

圖解：中子β衰變的費(fèi)曼圖。經(jīng)由一個(gè)W玻色子，中子衰變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子，同時(shí)釋放出一個(gè)電子和一個(gè)反電子中微子。

質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同的原子稱為同位素。我們通常以質(zhì)量來表示同位素。比如6個(gè)質(zhì)子7個(gè)中子的碳原子叫做碳13。

正如我在有關(guān)輻射的那一集里提到的，有時(shí)原子原子核里中子的數(shù)量會(huì)超過原子的承載能力，這使原子變得不穩(wěn)定，即不穩(wěn)定同位素，又被稱為放射性同位素。它會(huì)因分裂成碎片從而分解，并以輻射的形式散發(fā)粒子和能量。這種分解被稱為放射性衰變。基于不同的原子，這種分解可在幾秒鐘或數(shù)千年的時(shí)間里發(fā)生。

圖解：α粒子的穿透力最小，一張紙可擋住。β粒子可由鋁屏蔽。伽瑪射線穿透力強(qiáng)，必須使用實(shí)質(zhì)性的障礙，例如一層非常厚的鉛，但仍然未能完全阻擋。

隨性而不可預(yù)測(cè)的電子

原子最后的組成部分是電子。早在1900年，科學(xué)家們就認(rèn)為電子像行星繞日公轉(zhuǎn)一樣在繞著原子核旋轉(zhuǎn)。但顯然電子不喜歡這樣被束縛，因?yàn)楝F(xiàn)在我們知道電子不是那么可預(yù)測(cè)的，事實(shí)上它們可以出現(xiàn)在任何自己想去的地方。

圖解：克魯克斯管實(shí)驗(yàn)可以顯示出電子的粒子性質(zhì)。如圖所示，從左往右直線移動(dòng)的電子束，遇到一個(gè)十字形標(biāo)靶，從而在真空管右面底端顯示出十字形陰影。

幸運(yùn)的是，盡管有這些輕率的說法，電子還是可以把大部分時(shí)間花在原子核周圍被稱為原子軌道的特定區(qū)域。這些軌道有各種形狀，這取決于原子有多少個(gè)電子，以及其他一些因素。電子有點(diǎn)反社會(huì)，所以在一個(gè)給定的軌道上任何時(shí)刻都不能有兩個(gè)以上的電子。

圖解：閃電機(jī)制涉及電子或離子從云層向地面流動(dòng)或從地面向云層流動(dòng)。

原子的電子、質(zhì)子數(shù)決定了它的電荷。每個(gè)質(zhì)子帶一個(gè)正電荷，每個(gè)電子帶一個(gè)負(fù)電荷。所以各有6個(gè)質(zhì)子、電子的凈電荷為零，如果原子不負(fù)責(zé)任的失去一個(gè)電子，那么它的正電荷將比負(fù)電荷多一個(gè)，那凈電荷將為-1或者+1。帶非零凈電荷的原子叫做離子。

原子的電子數(shù)和它的凈電荷數(shù)決定了原子的許多化學(xué)性質(zhì)，例如它與另一個(gè)原子成鍵的可能性有多大，具體細(xì)節(jié)以后會(huì)討論！