金屬原子核鍛煉方法

『壹』 原子核外電子到底是怎樣運動的

一個電子的運動狀態要從4個方面來進行描述，即它所處的電子層、電子亞層、電子雲的伸展方向以及電子的自旋方向。在同一個原子中沒有也不可能有運動狀態完全相同的兩個電子存在。

根據這個規則，如果兩個電子處於同一軌道，那麼，這兩個電子的自旋方向必定相反。也就是說，每一個軌道中只能容納兩個自旋方向相反的電子。

根據泡利不相容原理，得知：s亞層只有1個軌道，可以容納兩個自旋相反的電子；p亞層有3個軌道，總共可以容納6個電子；d亞層有5個軌道，總共可以容納10個電子。

第一電子層（K層）中只有1s亞層，最多容納兩個電子；第二電子層（L層）中包括2s和2p兩個亞層，總共可以容納8個電子；第3電子層（M層）中包括3s、3p、3d三個亞層，總共可以容納18個電子……第n層總共可以容納2n^2個電子。

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電子與質子之間的吸引性庫侖力，使得電子被束縛於原子，稱此電子為束縛電子。兩個以上的原子，會交換或分享它們的束縛電子，這是化學鍵的主要成因。

當電子脫離原子核的束縛，能夠自由移動時，則改稱此電子為自由電子。許多自由電子一起移動所產生的凈流動現象稱為電流。在許多物理現象里，像電傳導、磁性或熱傳導，電子都扮演了要重要的角色。移動的電子會產生磁場，也會被外磁場偏轉。呈加速度運動的電子會發射電磁輻射。

『貳』 金屬中的原子核，電子所處的狀態及其運動

金屬中的電子與原子核一般處於分離狀態。金屬中原子核帶正電，呈晶格結構，即好像稿紙網格一樣三維矩陣排列。金屬中價電子則成了自由電子，在原子核帶正點的網格中自由穿行。這也正是金屬能導電的原因。

『叄』 原子核的發現

質子和電子的發現
近代的原子－分子學說
宇宙萬物的原始組成，自古以來在世界各地都引起人們有極大的興趣。我國古代的五行學說認為，萬物是由金、木、水、火、土五種基本元素組成的。古代希臘人把氣與水、火、和土並列為世界的四種基本物質元素。2000多年前，希臘哲學家德謨克利特主張宇宙萬物只有一種起源，即他稱為「原子」的一種極小顆粒，他認為原子不可分割，無質的區別而只有大小、形狀的差異，「原子」和「虛空」是萬物的本原。隨著人類文明的進步和近代科學的興起，古代的五種（或四種）基本元素的概念越來越不能說明化學研究是出現的新現象。「原子」這一模糊的概念隨著控化學和物理學的發展而獲得了更加明確和豐富的意義。
19世紀，英國化學家和物理學家道爾頓提出了原子論，他認為，化學元素是由非常微小的、不可再分割的物質粒子即原子組成，原子是不可改變的。化合物由分子組成，而分子是由幾種原子化合而成，是化合物的最小粒子。同一元素的所有原子相同，不同元素的原子不同。只有以整數比例的元素的原子相結合時，才會發生化合，在化學反應中，原子僅僅是重新排列，而不會創生或消失。接著，義大利物理學家阿伏加德羅提出了分子的概念，他指出：所有相等體積的氣體，無論是元素、化合物還是混合物，都有相等的分子數。氣體元素的最小粒子不一定是單原子，很可能是由多個原子結合成的單一分子，同等體積的氣體原子數日雖然不同，但分子數目是一樣的。但是在接著的近半個世紀，人們沒有重視阿伏加德羅的理論，化學家們根據不同的標准，測得的相對原子量也不同。到了1858年，義大利化學家坎尼查羅提出，只有接受阿伏加德羅定律，才能真正解決化學式問題和原子量問題，他的觀點得到了人們的贊同，近代的原子-分子論確立了。接著，人們發現了大量的元素並測定了精確的原子量，到1869年，俄國化學門捷列夫提出元素性質與元素的原子量之間存在周期性變化規律，並給出了第一張元素周期表，1871年，他又發表了修正的第二張元素周期表。
放射性和電子的發現
十九世紀末，德國物理學家倫琴發現了X射線。法國物理學家貝克勒爾在研究熒光物質是否與X射線有關時意外地發現鈾能使用黑紙包起來的底片感光，進一步研究後，他得出結論，這是新射線是從鈾原子本身發射出的，鈾具有放射性。放射性的發現打開了一個巨大的新的研究領域，這不僅使原有的原子觀念發生了重要變化，也是人們認識原子核的開始。接著，居里夫婦發現釷、釙、鐳等元素也具有放射性，並發現了放射性衰變的定量規律並引入了半衰期的概念：每一種放射性元素的原子都有一定概率進行特定的衰變，有N個原子的元素在一段時間後就會因為衰變而只剩下N/2個，這段時間就叫做該元素的半衰期。由於研究放射性的貢獻，貝克勒爾和居里夫婦被共同授予1903年的諾貝爾物理獎。
X射線的發現不僅導致了放射性物質的發現，也促進了電子的發現。1897年，英國物理學家湯姆遜證明，陰極射線（真空管內金屬電極在通電時其陰極發出的射線）是一種粒子流，其質量只有氫離子的千分之一，湯姆遜將其命名電子，它是電荷的最小單位，比原子更小，是一切化學原子的共同組成部分。電子是從陰極內釋放出來的，而這種陰極則是由金屬原子組成，可見電子是從原子中放出來的。
盧瑟福的原子模型和原子核
在放射性研究中，人們發現放射性物質所發出的射線實際屬於不同的種類，放射性以α、β或γ射線三種方式釋放出來，它們後來被更加具體地加以識別，α射線是高速的氦原子核，帶正電；β射線是電子，帶負電；那些不受電磁影響的電磁波稱為γ射線（實際上是高能量的質子）。
紐西蘭物理學家盧瑟福發現：在聚集起來的、電中和了的α粒子中顯示出氦的黃色光譜線，證實了α粒子和氦離子的同一性，也證明了氦元素起源於其他元素。除了少數例外，一種放射性元素或者發射α射線、或者發射β射線，發射α射線的元素變成周期表中居於前兩位的元素，其質量減少4，發射β射線的變成周期表中居於下一位的元素，質量不變。伴隨著α或β衰變，常常會放射出γ射線，γ射線貫穿力特別強，是一種能量高的電磁輻射，γ射線不會引起元素在周期表上位置的變化，只是釋放該元素原子內部過剩的能量。
放射性的發現說明了原子具有復雜的內部結構，也打破了長期以來人們認為原子是永恆不變的觀念，因為天然放射性元素的原子就在不斷地以一定規律進行變化。但是，能不能使自然界是穩定的元素原子也發生變化？盧瑟福想到，α粒子是從放射性元素的原子是釋放出來的，如果將α粒子當作"炮彈"打進穩定元素的原子去，會有什麼結果？
1910年，盧瑟福與其他科學家合作進行了α粒子在金和其他金屬薄膜中的散射試驗。根據試驗的結果，盧瑟福建立了原子的有核模型：原子的正電荷和質量集中在原子中心一個很小的區域內，並把它叫做原子核，原子中的電子像行星繞著太陽那樣繞著原子核運動，原子中的空間也像太陽系中的空間一樣，絕大部分是空盪盪的。由於原子表現出電中性，原子核一定是帶正電的，其帶電量與核外電子所帶負電量一樣。
1914年，盧瑟福用陰極射線轟擊氫，結果使氫原子的電子被打掉，變成了帶正電的陽離子，它實際上就是氫的原子核，也是最輕的原子核。盧瑟福推測，它就是人們從前所發現的與陰極射線相對的陽極射線，它的電荷量為一個單位，質量也為一個單位，盧瑟福將它命名為質子。在新的原子模型的基礎上，盧瑟福估計原子核的半徑約為10-14米，大約只有原子半徑的萬分之一。原子的絕大部分質量集中在如此小的原子核內，因此核內物質的密度極高，它比通常物質的密度大約高出1012倍，1立方厘米的核物質將有約千噸重的量級。
1919年，盧瑟福用加速了的高能α粒子轟擊氮原子，結果發現有質子從氮原子核中被打出，而氮原子也變成了氧原子。這可能是人類第一次真正將一種元素變成另一種元素，但是，這種元素的嬗變暫還沒的衫價值，因為幾十萬個粒子中才有一個被高能粒子打中。到1924年，盧瑟福已經從許多輕元素的原子核中打出了質子，進一步證實了質子的存在。
盧瑟福在實驗基礎上建立了原子的核模型，提示了原子核這一物質更深層次的存在，他和他直接或間接指導過的許多世界各地的物理學家形成了一個大的學派，一切從實際出發了幾十年原子核物理研究和核技術應用的興旺發達局面。他是原子核物理的開拓者，也是探索原子核奧秘的帶頭人。
中子的發現
發現了電子和質子之後，人們一開始猜測原子核由電子和質子組成，因為α粒子和β粒子都是從原子核里放射出來的。但盧瑟福的學生莫塞萊注意到，原子核所帶正電數與原子序數相等，但原子量卻比原子序數大，這說明，如果原子核光由質子和電子組成，它的質量是不夠的，因為電子的質量可忽略不計。在此基礎上，盧瑟福早在1920年就猜測可能還有一種電中性的粒子。
盧瑟福的另一位學生--英國物理學家查德威克在卡文迪什實驗室里尋找這種電中性粒子，他一直在設計一種加速方法使質子獲得高能，從而撞擊原子核，以發現有關中性粒子的證據。1929年，他准備對鈹原子進行轟擊。
與此同時，德國物理學家博特及其學生貝克爾已經先行一步。他們共同合作用α粒子轟擊一系列元素，在對鈹元原子核進行轟擊實驗時，發現有一種未知輻射產生。為了確定這種輻射的一些性質，他們試著把各種物體放在輻射經過的路途上，結果發現這種輻射的貫穿能力極強，能穿透幾厘米厚的鉛板。當時知道，能有這樣強輻射能力的只有γ射線。因此，他們認為這種輻射是γ射線的一種。
1931年，法國物理學家居里夫婦用當時最強大的放射性釙Po源所產生的α射線重復了博特-貝克爾的實驗，研究了用α粒子轟擊鈹時發生的"鈹輻射"，除了得到與博特-貝克爾相同的結果外，他們還驚奇地發現，這種輻射能將含氫物質中的質子擊出。人們從未發現γ射線具有這種性質，但居里夫婦想不出這種輻射還能是什麼別的東西。他們僅僅報道說，發現α射線能夠產生一種新的作用。
1932年這些結果公布後，見到德國和法國同行的實驗結果，查德威克意識到，這種新射線可能就是多年來苦苦尋找的中子。他立即利用實驗室的優越條件重復了同樣的實驗，證明所謂"鈹輻射"是電中性的粒子流，而且這種粒子具有幾乎與質子相等的質量。不到一個月，查德威克就發表了《中子可能存在》的論文，他指出，γ射線沒有質量，根本不可能將質子從原子核是撞出來，只有那些與質子質量大體相當的粒子才有這種可能，他並且測量了中子的質量，確證了中子確實是電中性的。

電子的發現
上個世紀中隨著加速器技術的不斷進步，「基本」粒子像大雨一般傾瀉而下，然後再被理論和實驗證明為「不基本」而逐一排除。在這之中有一個異類，它是最早被人們所認識的亞原子粒子，但自從它被發現以來，就一直坐在「基本粒子」的寶座上，一百多年來都未被撼動。這個基本粒子家族中的輩分最高者就是電子。

盡管電子的發現是在1897年，但做好這個發現的准備用了可以說將近一個世紀。1811年阿伏伽德羅提出阿伏伽德羅假說：同溫同壓同體積的氣體含有同樣多的分子。這位老兄比較悲慘，他死於1956年，但他的假說直到1960年才被普遍接受，假說才被換成「定律」。科學史上這種死後才被平反的例子舉不勝舉，同樣比較慘的還有數學天才伽洛瓦，二十歲嘗遍人間艱辛，死於決斗，死後十四年成果才被發表。波動光學的提出者惠更斯在有生之年都被牛頓打壓，直到死後四十年他的成果才被承認……大家感興趣可以google一下。

在1833年，阿氏定律仍是假說時，法拉第提出了電解定律，說1摩爾任何原子的單價離子帶的總電量相同。如果把這個結果和阿氏假說結合起來就可以推測到電荷一定存在最小單位。但是這個結合一直沒有人敢做——都是「假說」這兩個字害的。直到阿氏定律被平反之後的1874年，斯通尼才走出了這一步，並結合實驗結果推出了這一基本電荷電量的近似值，並於1881年正式將其命名為「電子」。

看見了吧，電子的名字都有了，但人們卻連它的影子還沒看到。也許你不會相信，在19世紀末，人們在原子是否存在這個問題上還存在相當程度的爭執。所以人們對物質基本結構的觀念基本上還是一片空白，根本沒有預料到電子的發現會在什麼場合，什麼現象中，它和原子又有什麼樣的關系。

現在雖然人們普遍承認電子是由湯姆孫在1897年發現的，但事實上在他之前有不止一個人做過類似的實驗。我們來看看究竟是什麼不同讓湯姆孫最終獲得了這個榮譽。

這幾個人做的實驗都是關於陰極射線的。所以在說發現電子的實驗之前我們需要先看看什麼是陰極射線。陰極射線顧名思義是陰極放出來的射線。我們現在知道它實際上就是電子束。陰極射線是怎樣產生的呢？學過高中物理的同學都知道光電效應，也知道光電流的產生，即電子脫離金屬表面，需要光子提供一個溢出功。這個溢出功當然不是只有光子才能提供，任何來源的能量都是一樣的。所以我們可以將金屬加溫，讓其溫度變得很高，高溫相當於粒子熱運動加劇，電子熱運動動能足夠大時同樣可以從金屬表面溢出。這時我們再以這塊金屬作為陰極（負極），在相距一定距離的地方設一個正極，溢出金屬表面的電子就可以在電場作用下向陽極運動，形成電子束即陰極射線。

在湯姆孫實驗之前，克魯克斯已經提出陰極射線是由帶負電的微粒組成的，因而湯姆孫就能夠在這個觀點的指引下直接去測這種微粒的電荷、質量，而不用費腦筋再去考慮陰極射線的本質。這一點其實是很關鍵的，我下邊會提到。

湯姆孫實驗的原理其實很簡單，電子在與其運動方向垂直的電場中會偏轉，實驗中表現為陰極射線的的打在與其正對的熒光屏上的點會偏移。由其偏移的方向可以判斷出陰極射線帶負電。再加上一個和電場方向相反的磁場，電子受的洛侖茲力與電場力反向，當光點偏移為零時說明二力相等。從兩個力的比值可以求得電子的電荷和質量之比。湯姆孫在這些數據的基礎上，宣布了電子的存在。

做類似實驗的兩個人，其中之一就是大名鼎鼎的赫茲。麥克斯韋的電磁理論在他有生之年一直未被承認（哦，這又是死後平反的一個例子，上面忘了說了），直到死後八年才被赫茲的電磁波實驗證實。麥克斯韋方程組是很偉大的，證實它的實驗也同樣偉大，而且赫茲還有幸發現了光電效應。但很可惜上帝沒能再多給他一個榮譽。科學研究有所謂「嗅覺」一說，大意就是你能不能找到正確的方向。愛因斯坦很是鼓吹這個，同樣的好像還有楊振寧。但我不知道在一定意義上成者王侯敗者寇的科學史上，這種所謂「嗅覺」是不是運氣成分居多，畢竟愛因斯坦的「嗅覺」在他後半生可是沒起什麼好作用（關於統一場論，我以後會細說）。

赫茲做的實驗從原理上說和湯姆孫一樣，都是在陰極射線垂直方向加電場，又比湯姆孫早了好幾年，按理說是占據先機的，但卻得到了錯誤的結果。原因嘛，不能免俗，分為主觀和客觀。客觀上有一個很致命的原因，就是赫茲做實驗的時候真空技術還不夠火候，殘余空氣分子電離，將外加的靜電場的抵消了，結果是陰極射線的熒光軌跡看起來根本不偏轉，於是赫茲認為陰極射線不帶電。主觀原因恰恰出在赫茲最出名的成果——電磁波上。赫茲堅持認為陰極射線是一種電磁波，這個無偏轉的實驗進一步證實了他的看法，於是他在剩下的日子裡一直守住這個觀點不放。赫茲的「嗅覺」在這上面出了問題。而湯姆孫從一開始就傾向於相信陰極射線是由微粒組成，這在一定程度上導致了他的最終成功。

與赫茲相比，更倒霉的是德國的考夫曼。他也做了類似的實驗，時間同樣是在1897年。但他測得的電子電荷質量比遠比湯姆孫的精確，與現代值僅相差百分之一，他甚至還得到了這個比值隨電子速度變化而變化的結果，這不是別的，正是愛因斯坦的狹義相對論效應，而這時離狹義相對論誕生還有八年！考夫曼本應由於這個實驗揚名立萬的，但他純粹是由於自己的偏見——認為陰極射線不可能是粒子，而不敢發表自己的成果，一直壓到1901年才發表。這樣一來，我們可以看到湯姆孫從一開始就相信陰極射線是由粒子組成是多麼重要了吧。

關於電子發現的歷史暫且先說到這里。最後說幾個關於電子的稍微現代一點的事實。電子發現得最早，而且是最適宜研究的基本粒子。看一下上一章里列出的所有基本粒子，電子比其他的輕子壽命長的多（一個「多」字太蒼白了，如同屬輕子的μ子壽命在10的負6次方秒，而電子根本不衰變），比中微子容易和其他粒子作用（一個中微子可以輕松地穿過1000光年厚的鉛版），相比其他如誇克（由於色禁閉不能直接觀測）、W、Z什麼見都見不著的，實在是再理想不過的觀測對象了。但時至今日，仍未發現電子有任何內部結構，依然是純粹的點。盡管近年來實驗觀測到電子周圍有由於真空極化機制（以後會說）產生的虛粒子「氣」，但顯然這不能算作電子自身的結構。

另外，我們認為電子的電量和質子的電量是相等的，但這完全是基於實驗結果的一個假定（目前精確到10的負21次方），並沒有更深層的理論可以導出這一點。

最後，電子的質量由於相對論效應隨著運動速度的增大而增大，但電子的電荷卻是嚴格不變的，其中有什麼原理現在還不得而知。

『肆』 為什麼離子能在電場力作用下自由運動離子中也有原子核啊原子核不是不動嗎那為什麼金屬原子核不動

離子是帶點的原子或原子團。在外加電場的作用下任何帶電的微粒都會定向移動。既然離子是帶電的原子或原子團，那麼肯定含有原子核了，而此時的原子核與核外的電子在靜電作用力下，構成了一個對外帶電的整體，不會在外加電場中彼此分離。
至於金屬導電，在外加電場的作用下移動的是自由移動的電子。這種電子的移動並不是脫離原子核的移動，只是像波浪一樣起到一個向前傳遞能量的「震動」，這種移動不會使金屬帶上電荷。

『伍』 為什麼帶正電的原子核在電路里不運動

在金屬的原子結構中，原子與原子間的相互作用力構成了金屬導線堅韌的物理特性。金屬原子之間的主要作用力承載於原子核身上（原因很明顯，原子核質量遠大於核外電子），而核外自由電子所受的力很小。因此，當金屬導線兩端形成電勢差時，金屬原子核因受原子間相互作用的束縛，不能自由移動；而核外自由電子則因基本沒有束縛而受電場力影響順著電場線反方向（因為帶負電）定向移動，並由此產生電流。
一般金屬當中擁有大量的自由電子，這使得一般金屬都是良好的導體材料。

『陸』 電流在導線中，自由電子和原子核是怎麼運動的金屬導線為什麼會產生電流

在導線中，原子核是無法定向運動的，原子核始終在原子的中心。導電的只能是游離於原子（離子）之外的自由電子。自由電子通常是做無規則熱運動的，在產生電流時，自由電子在熱運動的同時附加一個定向運動，這個定向運動的方向與電流的方向正好相反。至於金屬導線為什麼會產生電流，關鍵是在導體的兩端有一定的電勢差（電壓），這樣在導體內建立了一個電場，這個電場將推動自由電子做定向運動而產生電流。