§4.3原子学
一、西学对原子的认识
1、什么是原子？
原子概念起源于公元前420年以前古希腊人德莫吉利特的论述：“自然界中无穷多的事物，只是由很少几组相同的原子构成的，它们占据着空间不同的位置和作着各种不同的运动”，这是原子论的萌芽。直到1860年，英国的道尔顿根据化学变化，提出了“原子—分子”论：“物体是由分子构成的，分子是由原子构成的，是由一种或者几种原子结合而成的，就是说一切元素都是由一些原子构成的。原子是物质存在的最小单元，是物质不能够再分割的最小单位；原子和分子有不同的性质，同种原子具有相同的性质，不同的原子具有不同的性质；分子和原子都在永远运动着”。19世纪后期，人们发现了电子、X射线、放射性物质后，才终于证实了原子的存在，并且了解了原子的构造。自从有了电子隧道显微镜，我们已经能够看见原子的模糊样子了。现在，专门形成了原子学科——原子学（原子物理学）。可见，我们研究原子首先是假定了原子的存在，并且利用原子来阐述问题，到后来才证实了原子的存在，再后来才看见了原子。分子和量子的认识过程与此有些相似，我们至今还没有看见过量子。
现在认识到：原子是物体发生化学变化的最小单位，是构成物质的基本单元，物质的一切特性都是和原子的组成和结构分不开的。原子一般是不能够单独存在的，很容易结合成为分子，并且也不保持原物体的化学性质。原子没有物体的性质，例如氢气同氢原子有不同的性质。原子中蕴藏着巨大的能量，它是至今所知道的最大的能源，叫做原子能。
至今，西学已经发现了约110种基本原子，还发现了2千种以上的同位素。地壳（包括大气层和水层）主要由氧（占重量比的49.13%）、硅（占26.00%）、铝（占7.45%）、铁（占4.20%）、钙（占3.25%）等原子组成。在百余种原子中，只有约30种是常见的重要的原子，其中氧、氢和碳是三种最重要的原子，是构成生物的基本原子。在单质里的原子叫做游离态原子，在化合物里的原子叫做化合态原子。
原子用原子符号表示，例如氢原子为H、氧原子为O。
炁学提示：原子是最小的组子（组合炁粒），是物体参与化学变化的最小炁粒，是由量子组成的第二代炁粒，而量子是第一代炁粒。炁粒的“有界无限性”对原子一样成立。在量子里已经介绍到，核子可以有无数种，因此原子也可以有无数种，而不仅仅是2千多种，在观测的恒星光谱中有许多不明光谱线存在就说明了一些问题。不同的环境形成不同的量子，不同的量子形成不同的原子。原子核（核量子、核子）有一个质变和量变的过程，呈现阶梯性变化，在一定范围内（量变过程），只能够形成同位素，而不会发生质变形成另外一种新原子。原子能是原子核发生变化产生的炁流。
2、元素。
在西学里把相同性质的同类原子叫做化学元素，简称元素。元素是同种原子的总称，常用元素符号表示，元素符号也就是原子符号。
炁学提示：在西学里，元素和原子的概念是比较模糊的。元素和原子就是一种东西，没有必要多此一举分类，只用原子称谓即可。正确地应该说元素就是物质的另外叫法，例如炁元素就是炁体物质，包括炁体、炁流、炁子和炁粒，化学元素就是化学物质、化学炁粒，例如氧元素、水元素等，这才是化学里的元素概念。元素的内涵要比原子广泛得多，可以代表一切事物，例如火元素、光元素、主题元素、生活元素、食物元素、编程元素、数字元素等。化学元素包括原子核、原子、同位素、分子、离子、物体（非生物、生物、天体）等，是能够用化学符号和化学方程（包括核方程）表示的炁粒。例如氧元素就是氧炁粒，简称氧，包括氧核、氧原子、氧离子、氧分子、氧气、液氧（液化温度－183℃）、固氧（固化温度－219℃）、臭氧（氧的同素异形体）和氧化物等各种存在状态的氧物质，这些东西都含有氧原子。
3、同位素。
同位素的概念是由索迪在1910年提出来的。同位素就是原子核里具有相同的质子数和不同的中子数的同类原子。例如在自然界里，氢有两种稳定的同位素，就是氢（普通氢、氕，1H1、1H）和氘（重氢，1H2、2H），用核反应还可以得到另外一种同位素，叫做氚（超重氢，1H3、3H）。上标的1、2、3是它们的原子量、质量数，下标的1是它们的电子数，即原子序数、电荷数。某个原子的原子量实际上是由各种同位素得出的平均原子量。
图4.21氢的同位素
炁学提示：同位素就是异形原子，是原子的变种，是核子不同但是电子数相同的原子，是质量不同的同类原子。同位素的形成是核子没有进一步量子化的产物。每一个原子都有许多种同位素，不仅仅是几种，同形成和存在的环境条件有关。
4、原子的大小。
原子的直径约为（2～3）×10-8厘米，这是最外层电子轨道的直径，用d表示。最大的原子核的直径是最小的原子核（氢核）的9.65倍，约为10-12厘米，电子的直径小于10-16厘米。如果把原子核比做乒乓球，那么原子就像足球场那么大，而电子就是一颗尘埃。可见在原子里，电子离原子核是很远的。
图4.22原子的结构
原子的质量叫做原子量，常用碳12（C12）的质量的1/12作为标准衡量，得到的是相对原子量。例如氧的原子量是16，是没有单位的，其实际质量是（16÷12）×（C12的质量1.994×10－23g）=2.657×10－23g。同样，氢的原子量是1，则质量是0.1673×10－23g。最重的原子是氢原子的264倍。
炁学提示：原子的大小（直径、体积、质量）同样有“有界无限”特性，改变环境条件就会有不同的大小。例如氢原子在不同的温度下有不同的光谱形成，而光谱线表示电子与原子核的距离的不同，是原子的一个存在状态，有不同的内能。我们使用的是常见的大小。
5、克原子。
也叫做原子的摩尔数、摩尔原子，用GA表示。1克任何原子都有6.023×1023个原子。1克原子是6.023×1023个某种原子的质量的克数。克原子量是用质量的克数除以原子量所得的值。由克原子的质量和原子数可以求得原子的质量。
6、元素周期表。
1869年，俄国的门德列夫发现了原子的物理和化学性质的周期变化规律，并且在1871年建立了元素周期表（正确地应该叫做原子周期表）。元素周期表反映了原子的性质变化规律（叫做元素周期律），由七个周期和16个族组成，其中有六个稳定周期和一个不稳定周期，有8个主族（包括一个零族，用ⅠA~ⅦA和0表示，分s和p区）和8个副族（也叫做过渡元素，用ⅠB~ⅦB和Ⅷ表示，分d和ds区，包括f区的一个镧系和一个锕系）组成。原子性能的周期性变化是同原子的内部组成和结构有关的，由原子理论阐述。根据元素周期表，分为主族元素、副族元素、卤族元、氧族元素、氮族元素、硅族元素、金属、碱金属、碱土金属、过渡元素和络合物、稀土元素、镧系、锕系等。
7、原子间力。
法拉第发现电解之后，阿米纽斯提出了离子假说：电解质的分子在稀薄溶液里总是分离成离子。这个假说很快得到了证实。由此认识到原子之间的化学结合力就是电荷产生的电力，这个力就是原子间力。
炁学提示：原子间力物质就是原子之间的电磁场炁子，即分子炁子或者离子炁子。炁子是由电场和磁场炁流形成的混合炁流。原子间力的大小同炁子有线性关系。量子生产的电磁场使量子结合形成了原子，原子炁子使原子结合形成了分子，分子炁子使分子结合形成了物体。