[光学原理与应用-586]：光子、电子、原子、分子、元素、物质他们的关系

光子、电子、原子、分子、元素、物质的关系一、层级结构从基本粒子到宏观物质基本粒子 ├── 费米子物质的砖块 │ ├── 夸克 → 质子uud、中子udd→ 原子核 │ └── 电子 ──────────────────────────────┘ │ ↓ │ 原子 原子核 核外电子 │ ↓ │ 元素 质子数相同的一类原子分类概念 │ ↓ │ 分子 原子通过化学键结合 │ ↓ │ 物质 原子/分子/离子的聚集态 │ └── 玻色子力的信使 └── 光子传递电磁相互作用不构成物质但与物质交换能量二、逐一厘清1. 电子 —— 物质的外层参与者基本粒子轻子不可再分带负电荷−e有静质量不构成原子核而是占据核外的 轨道概率云原子的化学性质、化学键、导电性、发光几乎全部由最外层电子决定电子是费米子—— 服从泡利不相容原理两个电子不能占据同一量子态这决定了原子壳层结构2. 原子 ——元素的最小单元结构原子核质子 中子核外电子质子带正电中子不带电二者由强核力胶子传递束缚在一起原子整体电中性质子数 电子数原子直径约 0.1 nm原子核直径约 10⁻¹⁵ m—— 原子内部绝大部分是空的氢原子最简单1 个质子 1 个电子3. 元素 —— 原子的分类标签元素不是 东西而是一个分类概念原子核中质子数相同的所有原子属于同一种元素质子数 原子序数决定元素在周期表中的位置1 个质子 → 氢元素6 个质子 → 碳元素79 个质子 → 金元素同一种元素可以有不同的同位素中子数不同如碳 - 126 质子 6 中子和碳 - 146 质子 8 中子目前已知 118 种元素其中 94 种天然存在4. 分子 —— 化学键的产物两个或多个原子通过化学键结合形成分子化学键的本质是电子的共享或转移共价键原子间共享电子对如 H₂O、CO₂离子键电子从一个原子转移到另一个原子靠静电吸引结合如 NaCl金属键自由电子气在金属离子晶格中共享分子是保持物质化学性质的最小单元 ——水分子 H₂O 可以分解为氢和氧但分解后不再是水分子可以由同种原子构成O₂、N₂也可以由不同元素构成DNA 含数十亿原子5. 物质 —— 宏观聚集态物质是占据空间、具有质量的东西由大量原子、分子或离子聚集而成同一组分子在不同温度 / 压力下呈现不同物态表格物态微观特征宏观表现固态分子 / 原子规则排列振动为主固定形状和体积液态分子近距但可滑动固定体积无固定形状气态分子自由运动间距大无固定形状和体积等离子态电子被剥离离子 自由电子导电、发光火焰、闪电、恒星玻色 - 爱因斯坦凝聚极低温下量子态统一宏观量子现象还包括混合物空气、合金、溶液、胶体等多种形态6. 光子 —— 特殊的 局外人光子在这个层级中的位置与其他五个完全不同表格对比电子 / 原子 / 分子 / 物质光子角色物质的构成单元电磁相互作用的媒介静质量有无粒子类型费米子电子、夸克玻色子是否构成物质是否 —— 光子不构成原子或分子与物质的关系物质本身物质之间交换能量的信使光子不 组成 任何东西 —— 它不是原子的零件不驻留在物质内部但光子与物质持续相互作用被电子吸收和发射驱动化学反应传递热量和信息在质能等价Emc²的意义上光子有能量因而有 相对论质量E/c²但它不具有静质量不被称为 物质一个深刻的事实原子的质量约 99% 来自夸克和胶子的相互作用能而非粒子的静质量所以 物质 本身在很大程度上也是被束缚的能量 —— 但这与光子的自由能量形态不同三、一张表总结关系表格概念本质构成与上下层的关系光子电磁场量子无内部结构不构成物质在电子跃迁中产生和消失传递能量电子基本粒子轻子无内部结构与原子核结合成原子决定化学键和光学性质原子物质的基本单元原子核质子 中子 电子质子数决定元素种类原子结合成分子元素原子的分类按质子数分类同一元素的原子化学性质相同元素组成分子和物质分子保持化学性质的最小单元原子通过化学键结合大量分子聚集为宏观物质物质宏观存在原子 / 分子 / 离子聚集以固液气等物态存在与光子交换能量四、两个关键区分1. 元素 不是 物质元素是分类标签物质是具体存在。金元素 指所有含 79 个质子的原子一块金条是由大量金原子组成的物质。你不能 拿起一个元素但可以拿起一块由某种元素构成的物质。2. 光子不是物质的组成部分但塑造了物质的行为光子不参与原子的构成但它与电子的相互作用决定了物质的颜色、光的吸收与发射、光合作用、视觉、激光、太阳能发电、热辐射 —— 我们感知到的物质世界的几乎所有外在表现都是物质与光子对话的结果。需要我进一步展开某个环节吗比如化学键的量子力学本质、原子核内部结构或者光子在物质 - 能量转化中的角色