原子是物质中仍保持化学元素特性的最小单位。每个原子都有一个体积极小、密度极高、带正电的原子核，原子核由质子和中子组成，外围环绕着带负电的电子云。原子是构成普通固体、液体、气体和等离子体的基本单元，原子之间的相互作用可以解释化学中的大部分现象，以及物理学中的很大一部分现象。典型原子的直径约为 0.1 纳米，原子核的尺度约为其十万分之一，却集中了原子 99.9% 以上的质量。“原子”一词源于希腊语 atomos，意为“不可分割的”。实际上原子是可以再分的，只是无法通过化学过程将其分开。
早期思想
物质由微小且不可分割的粒子构成，这一思想可以追溯到古希腊。公元前 5 世纪，留基伯及其弟子德谟克利特提出，世界由无数在虚空中运动的原子构成；在他们看来，万物之所以千差万别，是因为原子的形状、排列和位置各不相同。古印度胜论派的思想家也提出过类似的观点。亚里士多德则反对原子论，主张物质是连续的，由四种元素构成，他的观点在此后数百年间主导着欧洲思想。在近代科学兴起之前，原子论基本停留在哲学层面。直到 17 世纪，皮埃尔·伽桑狄和罗伯特·玻意耳等人提出的“微粒说”才使其重获关注。
化学中的原子论
原子是借助定量化学才成为科学概念的。拉瓦锡对化学反应中物质质量的精确测量，以及约瑟夫·普鲁斯特提出的定比定律，为此奠定了基础。1803 年前后，约翰·道尔顿提出了以下观点：
- 每种元素都由相同的原子构成，这些原子具有特定的质量。
- 不同元素的原子各不相同。
- 原子按固定的整数比结合形成化合物。
- 化学反应只是使原子重新组合，既不会产生原子，也不会消灭原子。
道尔顿的理论解释了倍比定律。例如，在一氧化碳和二氧化碳中，与等质量碳结合的氧的质量之比为 1:2。1811 年，阿莫迪欧·阿伏伽德罗区分了原子与分子。此后，门捷列夫于 1869 年发表了元素周期表，按照化学性质的周期性规律对元素进行了排列。
19 世纪仍有一些科学家认为原子只是一种便于使用的假想。1905 年，阿尔伯特·爱因斯坦将布朗运动解释为分子碰撞的结果；1908 年，让·佩兰通过实验证实了他的预言，这一问题才最终尘埃落定。
内部结构的发现
1900 年前后，一系列实验表明原子其实并非不可分割。1897 年，J·J·汤姆孙发现了电子，这种粒子比任何原子都要轻得多。他提出了“葡萄干布丁”模型，认为电子镶嵌在一个弥散的正电荷球体之中。1896 年放射性的发现则表明，原子可以自发地转变为其他种类的原子。
1909 年，汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登在曼彻斯特大学欧内斯特·卢瑟福的指导下，用α粒子轰击金箔。大多数粒子径直穿过了金箔，但也有少数被大角度反弹回来。1911 年，卢瑟福据此得出结论：原子几乎全部的质量和全部的正电荷都集中在中心一个极小的原子核内。1913 年，亨利·莫塞莱证明，元素在周期表中的位置取决于其原子核的电荷数。1932 年，詹姆斯·查德威克发现了中子。
量子模型
卢瑟福的模型无法解释原子为何能保持稳定，也无法解释原子为何只发出特定波长的光。按照经典电磁学，绕原子核运动的电子会不断辐射能量，最终螺旋坠入原子核。1913 年，尼尔斯·玻尔提出，电子只能处在若干具有固定能量的允许轨道上。在他的模型中，只有当电子在这些能级之间跃迁时，原子才会发射或吸收光。这一模型成功再现了氢原子光谱。
1924 年，路易·德布罗意提出粒子具有波动性，这一思想催生了量子力学。1926 年，埃尔温·薛定谔将这一新理论应用于原子。在现代图景中，电子并不沿确定的轨迹运动，而是用轨域（原子轨道）来描述，轨域给出的是在某一区域内找到电子的概率。每个电子的状态由四个量子数确定。泡利不相容原理指出，同一原子中任何两个电子都不能具有完全相同的一组量子数。这些规则共同解释了电子壳层的填充方式，也说明了元素周期表为何呈现现在的结构。
结构与性质
原子的原子序数（Z）是其原子核中的质子数，它决定了原子属于哪种元素。原子的质量数是质子数与中子数之和。质子数相同而中子数不同的同种元素原子互称同位素。有些同位素是稳定的，有些则具有放射性。
质子的质量约为电子的 1836 倍，中子则比质子略重。质子和中子并非基本粒子，它们各由三个夸克通过强相互作用结合而成。强相互作用还能克服质子之间的静电排斥，把原子核束缚在一起。在粒子物理学的标准模型中，电子属于基本粒子。
中性原子的电子数与质子数相等。原子得到或失去电子后就成为离子。最外层的电子称为价电子，它们决定了原子如何与其他原子形成化学键。由于原子核极小，原子的大部分体积都被电子云占据。
截至 21 世纪 20 年代，人类已发现 118 种元素，从氢（Z = 1）到鿫（Z = 118）。比铀重的元素大多由人工合成，而且通常极不稳定，寿命很短。
核过程与观测
化学反应只涉及电子，而核反应会改变原子核本身。核反应包括放射性衰变、核裂变（1938 年发现）和核聚变。按每个原子计算，核反应释放的能量远多于化学反应，相关研究属于核物理学的范畴。
原子远小于可见光的波长，因此无法用普通光学显微镜观察。不过，自 20 世纪 80 年代以来，扫描隧道显微镜及相关仪器已经能够拍摄单个原子的图像，甚至可以逐个移动原子。如今，对原子跃迁的精密测量是原子钟的基础，也是国际单位制中“秒”这一单位的定义依据。
参考来源
- The History of the Atomic Modelalloprof.qc.ca
- Bohr's Atomic Modelflexbooks.ck12.org
- History of the Atomic Model: Democritus to Quantumthecalculatedchemist.com
- The Bohr model: The famous but flawed depiction of an atomspace.com
- 1.14: The Nuclear Atom - Chemistry LibreTextschem.libretexts.org
- New Types of Hydrogenlike matter Composed of Electron(s) and Meson(s)arxiv.org