原子的历史之旅：探索科学家们是如何发现和理解原子的

原子是物质的基本单位。根据西北大学的说法，宇宙中除了能量之外的一切都是由物质构成的，因此原子构成了宇宙中的一切。术语“原子”来自希腊语，意为不可分割，因为曾经认为原子是宇宙中最小的东西，无法分割。我们现在知道原子由三种称为亚原子粒子的粒子组成：质子、中子和电子，而这些粒子又由更小的粒子组成，如夸克。

原子是在137亿年前的大爆炸之后产生的。随着新宇宙的热、致密逐渐冷却，夸克和电子的形成条件变得适宜。夸克聚集在一起形成质子和中子，而这些粒子结合成了原子核。根据欧洲核子研究组织（CERN）的说法，所有这些都发生在宇宙存在的最初几分钟内。

宇宙冷却了380,000年，以至于电子减速到足以被核捕获以形成第一个原子的程度。最早的原子主要是氢和氦，这仍然是宇宙中最丰富的元素，根据杰斐逊实验室的说法。最终，重力导致气体云聚集并形成恒星，并且当恒星爆炸（超新星）时，较重的原子就会被创造出来并传播到宇宙中。

质子和中子比电子重，驻留在原子的中心核内。电子非常轻，存在于围绕核的云中。根据洛斯阿拉莫斯国家实验室的说法，电子云的半径比核大10,000倍。

质子和中子的质量大致相同。然而，一个质子的质量约为一个电子的质量的1,835倍。原子始终具有相等数量的质子和电子，而质子和中子的数量通常也是相同的。向原子中添加一个质子会形成一个新元素，而添加一个中子会形成该原子的同位素或更重的版本。

核是由新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福德于1911年发现的，根据美国物理学会的说法。在1920年，卢瑟福德提出了质子这个原子中的正电荷粒子的名称。他还推测核内有一个中性粒子，这一点由卢瑟福德的学生、英国物理学家詹姆斯·查德威克于1932年证实。

根据化学LibreTexts的说法，几乎所有原子的质量都存在于其核中。构成核的质子和中子质量大致相同（质子稍轻），并且具有相同的角动量或自旋。

核是由强力这一自然的四个基本力之一维持在一起的。这个力克服了质子之间本来会相互排斥的斥力，根据电学的规则。一些原子核是不稳定的，因为不同大小的原子核的结合力有所不同。这些原子核将会衰变成其他元素，例如碳-14衰变成氮-14。

质子是存在于原子核中的带正电的粒子。根据杰斐逊实验室的说法，卢瑟福德在1911年至1919年间的阴极射线管实验中发现了质子。质子约占中子质量的99.86%。

每个元素中质子的数量是独特的。例如，碳原子有六个质子，氢原子有一个，氧原子有八个。一个原子中质子的数量被称为该元素的原子序数。质子的数量也决定了元素的化学行为。元素在元素周期表中按原子序数递增的顺序排列。

每个质子由三个夸克组成，其中包括两个“上”夸克（每个带有2/3的正电荷）和一个“下”夸克（带有1/3的负电荷），它们由其他亚原子粒子称为胶子（gluons）保持在一起，而胶子是无质量的。

与质子和中子相比，电子非常微小，比质子或中子小1800多倍。根据杰斐逊实验室的说法，电子的质量约为中子的0.054%。

英国物理学家约瑟夫·约翰（J.J.）汤姆孙在1897年发现了电子，根据科学史研究所的说法。最初被称为“小颗粒”，电子带有负电荷，并与带正电的质子产生电吸引力。电子在被称为轨道的路径中围绕原子核运动，这一理念由奥地利物理学家厄温·薛定谔在1920年代提出。今天，这个模型被称为量子模型或电子云模型。围绕原子的内部轨道是球形的，但外部轨道则复杂得多。

原子的电子构型是指典型原子中电子的位置。根据洛斯阿拉莫斯国家实验室的说法，化学家可以利用电子构型和物理原理来预测原子的性质，例如稳定性、沸点和导电性。

根据美国物理学会的说法，中子的存在在1920年由卢瑟福德理论，并由查德威克于1932年发现。在实验中，当原子被射向铍薄片时，释放出了无电荷的亚原子粒子——中子。

中子是存在于所有原子核中的无电荷粒子（氢除外）。中子的质量略大于质子。像质子一样，中子也是由夸克组成的，其中包括一个“上”夸克（带有2/3的正电荷）和两个“下”夸克（每个带有1/3的负电荷）。

关于原子的理论可以追溯到公元前440年的希腊科学家和哲学家德谟克利特。根据安德鲁·G·范·梅尔森的说法，德谟克利特最有可能是根据过去哲学家的工作建立起他的原子理论。

德谟克利特对原子的解释始于一块石头。切开的石头给出了同一石头的两半。如果继续切割石头，那么在某一点上会存在一块小到不能再切割的石头。根据教育网站Lumen Learning的说法，术语“原子”来自希腊语，意为不可分割，德谟克利特得出的结论是，这是一种物质不能再分割的地方。

他的解释包括原子是分开存在的，有无限多的原子，原子能够运动，它们可以结合在一起形成物质，但不会合并成新的原子，它们不能被分割，根据今日宇宙。然而，由于当时的大多数哲学家，特别是非常有影响力的亚里士多德，认为所有的物质都是由土、空气、火和水创造的，所以德谟克利特的原子理论被搁置。

英国化学家约翰·道尔顿在1803年在德谟克利特的思想基础上建立了自己的原子理论，根据普渡大学化学系的说法。道尔顿的理论包括德谟克利特的一些想法，比如原子是不可分割且不可毁灭的，不同的原子组合在一起形成所有物质。道尔顿对理论的补充包括以下观点：某一元素的所有原子都是相同的，一个元素的原子与另一个元素的原子具有不同的重量和性质，原子不能被创造或毁灭，物质是由原子以简单的整数比例结合而成。

在1897年发现电子的英国物理学家汤姆孙证明了原子可以被分割，根据化学传承基金会的说法。通过研究阴极射线管中电电子的性质，他能够确定电子的存在。根据汤姆孙1897年的论文，射线在管内被偏转，这证明在真空管内存在负电荷的东西。

在1899年，汤姆孙发表了他对原子的版本的描述，通常被称为“李子布丁模型”。该论文的一部分可在Chem Team网站上找到。汤姆孙的原子模型包括许多悬浮在某物质中的电子，产生正电荷，使原子具有总体中性电荷。他的模型类似于李子布丁，这是一种在圆形蛋糕球中悬浮着葡萄干的受欢迎的英国甜点。

下一个进一步修改和推进原子模型的科学家是瑟斯福德，他在普渡大学化学系学习时曾师从汤姆孙。根据普渡大学的化学系，1911年，瑟斯福德发表了他的原子模型，其中包括一个带有正电荷的核，围绕着电子轨道运动。这一模型产生的背景是，瑟斯福德和他的助手们向薄金属片发射α粒子。根据杰斐逊实验室的说法，α粒子由两个质子和两个中子组成，都由同一强核力束缚在一起。

科学家们注意到，少数α粒子以非常大的角度散射到原始运动方向，而大多数几乎没有受到干扰地穿过。瑟斯福德能够近似估算金原子核的大小，发现它至少比整个原子的大小小了10,000倍，而且大部分原子是空间。瑟斯福德的原子模型仍然是今天使用的基本模型。

还有其他几位科学家进一步发展了原子模型，包括尼尔斯·玻尔（在瑟斯福德的模型基础上，包括基于氢光谱的电子性质）、埃尔温·薛定谔（发展了原子的量子模型）、维尔纳·海森堡（提出不能同时知道电子位置和速度）、默里·格尔曼和乔治·茨威格（独立提出质子和中子由夸克组成的理论）。