原子直径

原子直径 所有原子的大小都一样吗？原子是绝对圆吗？直径都一样大吗？

原子，长期被人们认为是组成物质的最小单位，随着电子的发现，人们意识到原子也是可以再分的。

通过汤姆孙，卢瑟福，玻尔等人的建立的早期的原子模型。

现在普遍认同原子是由核外电子和原子核组成的。

而各个元素的原子的大小当然是不同的，从下面图例，我们可以看出很清楚，随着原子序数的增大，原子半径也逐渐变大，但总体来说，各种元素原子的尺寸大小相差不超过量级。

所以原子的大小不是都一样的，有尺寸的分布。

原子的半径和核外电子的多少，这是个竞争作用的关系。

一方面当核电荷数增加了，其静电作用力会使原子半径变小，另一方面，当核外电子变多了，由于泡利不相容原理的限制，每一层上能够排布的电子数目是确定的，每一次层也具有可容纳电子数目。

因此，随着电子数的增加，所排列的层数也会增加，这直接会导致原子的半径增加。

总体从下图看起来，核外电子数多的，其原子半径会大一些。

所以泡利不相容原理保证了原子的多样性，和这个世界的多变性。

不然所有原子都会大小相似，这个世界会变得非常无趣。

至于第二问题，原子是不是绝对圆？原子本来就是由原子核和核外电子组成的，玻尔早前定义核外电子是沿着圆形轨道运行，后来和索末菲修成成了椭圆轨道。

随着量子力学的出现，核外电子，在不同区域出现的出现概率和范围是不确定的，其经常出现的区域称为电子云，形状也不再是圆形，而是有多种形状。

量子实验室，专注科学问题，欢迎评论和关注。

在原子物理中有个有趣的结论，就是不同物质的原子，它们的大小是差不多的，或者说是一个数量级的。

这里牵涉到一个问题，就是你如何定义原子的大小。

我们考虑的不是激发态的原子，因为激发态的原子是可以任意大的，比如里德堡原子就可以很大。

换句话说基态的原子，它们的大小是差不多大的。

里德堡原子，n=12（主量子数）电子波函数示意图。

原子是由原子核和核外电子组成的，原子核是由质子和中子构成的，只有特定的原子核，具有特定数目的质子数和中子数的组合的原子核才是稳定的；其他原子核会发生衰变，即过一段时间原子核会碎成几块，比如更小的原子核，α射线，β射线和γ射线等。

质子带正电，电子带负电，在原子中电子的数目和质子的数目相同。

相对于原子，原子核的尺寸很小，10的负15次方米，比原子的尺寸小五个数量级。

那么电子在原子核周围是如何分布的呢？这是一个标准的量子力学问题。

假设氢原子，质子数为1，核外只有一个电子，这个量子力学问题是可以严格求解的，基态氢原子的半径是差不多0.5埃，或直径为1埃。

如果原子核里有好几个质子，那么核外就有好几个电子。

考虑到电子和电子之间有相互作用，这个量子力学问题（量子多体问题）是不可以严格求解的，我们必须用一些近似方法，比如自洽的“哈特里-福克”近似来研究这个问题。

假设我们先不考虑电子和电子之间的相互作用，只考虑原子核是由多个质子构成的这个因素，定性的猜测，由于原子核上的正电多了，核外的电子会受到核的更大的吸引，于是基态的电子会离原子核较近。

同时核外电子有很多，电子是费米子，存在“泡利不相容原理”，这意味着两个电子不能处于相同的量子态上，随着核外电子的增多，离原子核近的量子态都被占据满了，电子只能占据离原子核比较远的量子态。

泡利（1900-1958），天才的物理学家，号称物理学的良心。

以上两种趋势互相抵消，我们发现多电子原子的基态半径基本上维持不变。

当然我们还需要计算电子和电子之间的相互作用对原子基态的影响，出乎我们意料的是，这种影响有，但并不是本质性的。

以上我们已经定性地解释了为什么不同种类的原子会具有差不多大小的原子尺寸了。

那么原子的形状是什么呢？根据上面的思路，我们只要知道基态时原子里面各个电子所处的量子态我们就知道原子的形状了，更具体地说是电子在原子周围几率分布的形状。

对氢原子来说，电子所处的状态可以由四个量子数n，l，m和s_z来描述。

对多电子原子来说，我们必须考虑电子和电子之间的相互作用才能得到电子所处的量子态。

这里我们使用单电子近似，即我们把某个电子单独拿出来考虑，它受到原子核对它的相互作用，同时除了这个电子之外的其他电子也会对它有相互作用，这个相互作用和所有其他电子所处的状态有关，我们假设这个相互作用仍然保持球对称性，换句话说，我们认为电子和电子间的相互作用不会改变电子所处的势的对称性。

单电子原子的势场是球对称的，多电子原子对某个电子的有效相互作用仍然是球对称的。

这意味着我们仍然可以用n，l，m和s_z四个量子数来描述多电子原子中每个电子所处的量子态，只不过这些量子态的能量会发生改变。

这意味着多电子原子的形状将由外层电子所处的量子态，即它们的n，l，m和s_z决定。

以下是示意图：这个是氢原子波函数，多电子原子的波函数也是用相同的波函数予以描述的。