解剖原子
德谟克利特给原子起的名字来自希腊语中的“不可分割之物”，当时他认为，这些微粒代表了物质可分割的最小单元，换句话说，原子是一切物体中最小、最简单的组成部分。经过几千年的发展，“原子”这个最初的哲学概念已纳入精确的科学内涵，并具有了广泛的实证证据，变得有血有肉了。人们一直相信原子是不可分割的，并设想不同元素原子的不同性质归因于不同的几何形状。比如，过去人们认为氢原子是近似球形的，钠和钾原子是长椭圆形的。氧原子则被认为是甜甜圈形状的，只是中间的洞几乎完全闭合，如此，将两个球形的氢原子放入氧原子甜甜圈的两侧，便可构建出一个水分子（H2O）（图6-6）。至于钠和钾原子能替换水分子中的氢原子，过去的说法则是：钠和钾的长椭圆形原子比氢的球形原子更适合安放在氧原子的甜甜圈中。
图6-6 图中右下角的签名是：里德伯，1885 年
基于此类观点，人们认为不同元素发出的光谱的差异，源于不同形状的原子振动频率的差异。有鉴于此，物理学家曾试图通过观察元素的发光频率来确定构成元素的不同原子的形状，就像我们在声学中解释小提琴、钟和萨克斯产生的声音的差异一样。但这一尝试并不成功。
所有仅基于几何形状来解释原子化学和物理性质的尝试，都没有取得任何实质性进展，直到人们认识到，原子并不是几何形状不同的简单物体，相反，原子是由大量独立运动组件组成的复杂结构，此时，才真正迈出了对原子性质理解的第一步。
在解剖原子的微手术中动第一刀的是英国著名物理学家汤姆孙（J. J. Thomson），他证明了各种化学元素的原子均由带正电的部分和带负电的部分组成，它们通过电引力结合在一起。在汤姆孙的构想中，原子是由大体均匀分布的正电荷和悬浮于其中的大量负电荷粒子组成的（图6-7）。他将负电荷粒子称为电子，电子的负电荷数等于总的正电荷数，因此原子整体是不带电的。不过，他认为电子与原子主体的结合相对松散，可能会有几个电子脱离出去，留下带正电荷的原子部分，称为正离子。反之，有些原子也会将外部电子整合进来，这样，它们携带的负电荷数就会超过正电荷数，此类原子称为负离子。原子丢失或获得电子的过程称为“电离过程”。汤姆孙的论点建立在法拉第（Michael Faraday）的经典研究之上，法拉第证明了当原子携带电荷时，其电量一定是5.77×10-10个静电单位的整数倍。但汤姆孙更进一步，他提出原子电量之所以总是成倍变化，是因为这些电荷实际上是独立的微粒；除此以外，他还找到了从原子中分离电子的方法，甚至开始研究空间中高速飞行的自由电子束。
图6-7 图中右下角的签名是：汤姆孙，1904年
汤姆孙研究自由电子束的一大成果是估测出了电子的质量。他通过强电场从某种材料（例如热电线）中吸出一股电子束，让电子束从电容器的两个极板间穿过（图6-8）。由于电子是带负电荷的，或更准确地说，电子本身就是自由的负电荷，因此，电子束中的电子会被正极板吸引，被负极板排斥。
图6-8 电子束在电场中偏移
在电容器后面放一块荧光屏，电子束会落在屏上，我们很容易看出其路径的偏移。知道电子的电荷量、偏移的距离以及电场强度，我们就有可能估算出电子的质量，事实证明，电子的质量的确很小。汤姆孙发现，一颗电子的质量是一颗氢原子质量的
，可见，原子质量主要体现在带正电的部分中。
汤姆孙认为原子内存在运动着的负电子群，这是正确的，但他认为原子内均匀分布着正电荷，这一点与事实相去甚远。卢瑟福（Rutherford）在1911年证明，原子的正电荷及大部分的质量都集中在位于中心的非常小的原子核内。他通过其著名的“α粒子”穿过物体时发生散射的实验得出了这一结论。α粒子是某些高度不稳定元素（如铀或镭）的原子自发衰变时释放出的微小的高速粒子，由于它们的质量被证明与原子相差不大，且带正电，它们一定是原子中带正电的部分分裂出的碎片。当α粒子穿过目标材料的原子时，它会受到原子中电子的吸引以及原子中带正电部分的排斥的影响，但电子的质量非常小，难以影响入射α粒子的运动轨迹，就像一群蚊子难以影响一头受惊大象的奔跑轨迹一样。当原子中质量很大的带正电的部分与带正电的入射α粒子足够靠近时，电荷之间的排斥力一定能使后者偏离常规轨道，向各个方向散射。
研究穿过铝箔的α粒子束的散射时，卢瑟福得出了一个令人惊讶的结论，从他观察到的结果看，入射α粒子与原子正电荷间的距离达到了比原子直径的千分之一还小的程度。只有在原子本身比入射α粒子以及原子带正电的部分大数千倍时，这一点才说得通。如此，卢瑟福的发现将汤姆孙原子模型中均匀散布的正电荷缩小为原子中心的一个微小的原子核，并将大量负电子留在了外围。过去，人们把原子类比为西瓜，电子类比为西瓜子。现在，人们将原子类比为微型的太阳系，原子核就像其中的太阳，电子就像其中的行星（图6-9）。
图6-9 图中左下角的签名是：卢瑟福，1911年
以下事实进一步强化了原子与行星系统的相似性：原子核占整个原子质量的99.97%，太阳占整个太阳系质量的99.87%。电子之间的距离与电子的直径之比，和行星间的距离与行星直径之比相当，均为数千倍。
更重要的相似之处在于，原子核和电子之间的电场力与太阳和行星之间的万有引力一样，都遵循着相同的平方反比定律[5]。因此，电子也会沿着圆形和椭圆形轨道围绕原子核转动，就像行星和彗星围绕太阳转动一样。
根据上文关于原子内部结构的讨论，各种化学元素的原子间的差异可归因于围绕原子核转动的电子数量的差异。由于原子总体上是不带电的，因此绕核的电子数必定由原子核本身携带的基本正电荷数决定，而该数目又可通过观察原子核的电的相互作用使α粒子偏离轨道的情况直接估算出来。卢瑟福发现，在按重量排列的化学元素的自然序列中，每个元素都比前一个元素多一个电子。比如，氢原子有一个电子，氦原子有两个电子，锂原子有三个，铍原子有四个，以此类推，一直到最重的天然元素铀，有92个电子。[6]这个对应的数字通常被称为元素的原子序数，该序数也对应着元素在元素周期表中的位置。
因此，任何元素的一切物理和化学性质都可以用一个数字来表示，即绕核转动的电子的数量。
19世纪末，俄国化学家门捷列夫（D. Mendeleev）注意到，自然序列中的元素的化学性质具有明显的周期性。他发现每隔一定的序号，相同的元素性质就会重现。这一周期性体现在图6-10中，所有当前已知元素的符号均沿圆柱面的螺旋带排列，其中，同列的元素性质相似。我们看到第一周期只有2种元素：氢和氦；接下来的两个周期分别有8种元素；再往后，各种性质会每隔18种元素重复一次。大家记得原子序数每增加一个数字，都对应着原子中增加一个电子，那么，我们观察到的化学性质的周期性一定跟电子的某些稳定结构（“电子壳层”）的反复出现有关。第一壳层填满有2个电子，第二和第三壳层填满时各有8个电子，后面的壳层填满有18个电子。
从图6-10中可以看出，在第六、第七周期中，严格的周期性被两组元素（即镧系和锕系）扰乱了，我们只好从正常的圆柱面上额外接出了两条。这种异常是因为这里出现了电子壳层结构的某种内部重构，把一些元素的化学性质搞乱了。
图6-10[7]
现在我们知道原子是什么样的了，可以尝试回答这样一个问题：原子到底是以什么样的力结合在一起，从而构成了无数化合物的复杂分子呢？例如，钠原子和氯原子为何会结合到一起，形成食盐分子呢？图6-11显示了这两种原子的壳层结构，氯原子的第三壳层缺一个电子，钠原子的第二壳层满员后，多出了一个电子。如此一来，钠原子中多出的那个电子势必想跑去氯原子那里，把空缺填上。当这样的迁移发生后，钠原子带正电（失去一个带负电的电子），氯原子带负电。在电引力的作用下，两颗带电原子（或称为离子）会结合在一起，形成一个氯化钠分子，即食盐分子。同样的，氧原子的最外壳层缺少两个电子，因此，它会从两个氢原子手上“绑架”它们仅有的两个电子，拼凑成一个水分子（H2O）来。但反过来，氧原子和氯原子、氢原子和钠原子之间则没有结合的意愿，因为前两者都只想索取不愿付出，后两者都只想付出不愿索取。
图6-11 钠原子和氯原子结合为氯化钠分子的示意图
具有完整的电子壳层的原子，例如氦、氩、氖和氙原子，则完全自给自足，不需要付出电子或索取电子；它们乐于保持与世无争的姿态，也因此，相应的元素（所谓“稀有气体”）在化学上呈现惰性。
在结束关于原子及其电子壳层的这一节前，我们再说一下电子在那一类被统称为“金属”的物质中所发挥的重要作用。金属物质与其他物质的不同之处在于——它们的原子的外圈壳层很松散，电子常常可以随意离开。因此，金属内会充满大量居无定所的电子，漫无目的地四处流浪，仿佛一群无家可归的人。当我们在一根金属丝的两端通上电，这些自由电子便会沿电压作用的方向快速流动，这就构成了我们所称的电流。
自由电子的存在也是物体具有高导热率的原因，但我们稍后再来谈这个问题。