实际上，在1808年，英国化学家约翰·达尔顿指出，形成更复杂的化合物所需的各种化学元素的相对比例始终可以用整数比来表示，他将这个经验定律解释为，所有化合物都是由代表简单化学元素的不同数量的粒子构成的。中世纪炼金术未能将一种化学元素转化成另一种化学元素，这为这些粒子明显的不可分割性提供了证据，并且毫不犹豫地将其命名为古希腊语“atoms”（“原子”）。一旦命名了，这个名字就固定下来了，尽管我们现在知道这些“道尔顿原子”根本不是不可分割的，事实上，它们是由大量更小的粒子构成的，但是我们选择了对它们的名字在语言学意义上的不一致性视而不见。
因此，在现代物理学中被称为“原子”的实体根本不是德莫克里特斯所想象的物质基本的和不可分割的组成单位。如果将“原子”这个词应用于电子和质子这样小得多的粒子，实际上要正确得多。但是，这样的名称更改会引起过多的混乱，而且在物理学界也没有任何人关心语言的一致性！因此，我们保留了道尔顿意指的“原子”这个旧名称，并将电子、质子等称为“基本粒子”。
当然，这个名字表明，我们现在相信，在德莫克里特斯的意义上，这些更小的粒子确实是基本的、不可分割的，你们可能会问我，历史会不会重演？在科学的进一步发展中，现代物理学的基本粒子是否会被证明是非常复杂的。我的回答是，尽管不能绝对保证这不会发生，但我们有充分的理由相信，这一次我们是完全正确的。事实上，有92种不同的原子（对应92种不同的化学元素），每种原子都具有相当复杂的特性；这种情形本身就需要某种简化，即把这样一幅复杂的图景简化成一幅更加基本一些的图景。另一方面，当今的物理学只认识了几种不同类型的基本粒子：电子（带正电或带负电的轻粒子）、核子（带电的或中性的重粒子，也被称为质子和中子），可能还有所谓的中微子，其性质尚未完全阐明。
这些基本粒子的性质极其简单，通过进一步还原也难以获得简化。此外，正如你将理解的那样，如果要构建更复杂的内容，则必须始终要运用几个基本概念，而两个或三个基本概念并不算太多。因此，在我看来，用你所有的钱打赌——现代物理学的基本粒子将是名副其实的。
现在，我们可以讨论道尔顿的原子是如何由基本粒子构成的。这个问题的第一个正确答案是在1911年由著名的英国物理学家纳尔逊·卢瑟福给出的，他通过用快速移动的微小射弹轰击各种原子来研究原子结构，这些微小的射弹被称为α粒子，它们是在放射性元素的嬗变过程中被释放出来的。通过观察这些微小射弹穿过一块物质后的偏转（散射），卢瑟福得出结论：所有原子都必须拥有一个非常致密的带正电荷的内核（原子核），它的周围环绕着一层相当稀薄的带负电荷的电子云（原子大气）。
现在我们知道，原子核是由一定数量的质子和中子构成的，这些质子和中子被统称为“核子”，它们被强大的内聚力紧密地结合在一起，而原子大气则是由不同数量的负电子构成的，这些负电子在原子核正电荷的静电引力的作用下绕着原子核转动。构成原子大气的电子的数量决定了一个给定原子的所有物理和化学性质，并沿着化学元素的自然顺序变化，从1个（氢）到92个（已知最重的元素：铀）。
尽管卢瑟福的原子模型看起来很简单，但对它的详细理解却一点也不简单。事实上，根据古典物理学的最佳信念，在原子核周围旋转的带负电荷的电子在辐射（即发光）的过程中必然会失去它们的动能，据计算，由于这些稳定的能量损失，所有形成原子大气的电子都会在极短的时间内坍缩到原子核上。然而，这个古典理论的看似合理的结论却与经验事实截然相反，原子大气是相当稳定的，原子中的电子不仅不在原子核上坍缩，而是围绕原子核无限期地成群运动。
因此，我们看到，在古典力学的基本思想与有关原子世界中微小组成部分的力学行为的经验数据之间发生了根深蒂固的冲突。这一事实使著名的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔认识到，古典力学已经在自然科学体系中占据了数百年的特权和地位，从现在开始就应将其视为一种受限制的理论，它适用于我们宏观世界的日常体验，但在将其应用到各种原子内发生的更为精细的运动类型时却严重失败。作为新广义力学的试探性基础，它也适用于原子机制中微小部分的运动，玻尔提出假设，从古典理论中考虑的所有无穷多种运动类型中，只有少数几种专门选择的运动类型能在自然界中实际发生。这些允许的运动类型，或轨迹，是根据一定的数学条件来选择的：被称为玻尔理论的量子条件。我不打算在这里详细讨论这些量子条件，我只想说，它们是这样选择的：即在运动粒子的质量比我们在原子结构中遇到的质量大得多的所有情况下，它们施加的所有限制都变得没有实际意义。因此，将新的微观力学应用于宏观物体，其结果与旧的古典理论（对应原理）完全相同，只有在微观原子机制的情况下，这两种理论之间的分歧才具有本质价值。在不深入讨论细节的情况下，我将通过展示玻尔理论中原子的量子轨道图，来满足你对玻尔理论中原子结构的好奇心。（第一张图片，谢谢！）你在这里看到的，当然是在很大程度上放大了的一系列圆形和椭圆形轨道系统，它们代表了波尔量子条件下形成原子大气的电子被“允许”的唯一运动形式。古典力学允许电子在离原子核任何距离处移动，对其轨道的偏心度（即扁长度）没有限制，玻尔理论中选定的轨道形成了一组分立的轨道，其所有特定尺寸都被明确地定义。每一轨道附近的数字和字母代表这个特定轨道在一般分类法中的名称：例如，你可能会注意到，较大的数字对应较大直径的轨道。
尽管玻尔的原子结构理论在解释原子和分子的各种性质方面非常富有成果，但量子轨道彼此分立的基本概念仍然相当不清楚，我们越是试图深入分析古典理论的这种不同寻常的限制，就越不清楚整个情况。(www.xing528.com)
“因此，我们得到了玻尔理论中氢原子中电子的量子轨道。”
（图中为第一张图片）
最后，人们终于明白，玻尔理论的缺点在于，它并没有以某种根本的方式改变古典力学，而只是通过附加条件来限制这个系统的结果，而这些附加条件在原则上与古典理论的整个结构无关。仅仅13年后，这个问题的正确解决方法就以所谓的“波动力学”的形式出现了，它根据新的量子原理修改了古典力学的整个基础。而且，尽管乍一看，波动力学体系似乎比玻尔的旧理论更疯狂，但这种新的微观力学却代表了当今理论物理学中最一致、最被接受的部分。因为新力学的基本原理，特别是“测不准性”概念和“弥散轨道”的概念，我已经在上一次讲座中讨论过了，所以我建议你们仔细回忆或翻看笔记本看看，就能重温原子结构的问题。
在我现在投射的图片中（第二张图片，谢谢！），你会从“弥散轨道”的角度看到原子电子的运动是如何被波动力学理论可视化的。这幅图代表了与前一张图中古典的运动类型相同的运动类型（由于技术原因，现在每一种运动类型都是单独绘制的），但是我们现在有了与基本测不准原理相一致的弥散模式，而不是波尔理论中尖锐的直线轨迹。不同运动状态的符号和前面的图是一样的，如果你稍微发挥一下你的想象力，你会注意到，我们的云状形式的图案相当忠实地重复着玻尔轨道的一般特征。
“弥散轨道”（图中为第二张图片）
这些图表很清楚地向你展示了古典力学中的古典轨迹在量子作用下会发生什么，尽管外行人可能会认为这是一个奇妙的梦，但研究原子微观世界的科学家们在接受这幅图时不会遇到任何困难。
在对原子的电子大气中可能存在的运动状态进行了简短的考察之后，我们现在开始讨论一个重要的问题，即各种原子电子在各种可能运动状态中的分布情况。这里我们又遇到了一个新的原理，一个对宏观世界来说很陌生的原理。这个原理是我年轻的朋友沃尔夫冈·泡利首先提出的，他认为在一个给定原子的电子群中，没有两个电子可以同时具有相同的运动状态。如果像古典力学那样，存在无穷多种可能的运动，这种限制就没有多大意义了。然而，量子定律大大减少了“允许的”运动状态的数量，而泡利原理在原子世界中扮演着非常重要的角色：它能保证电子或多或少地均匀分布在原子核周围，并防止它们在一个特定的位置聚集。
然而，你不能从上述新原理的公式中得出结论，即在我的图表中所表示的每一种弥散量子态可能只被一个电子“占据”。事实上，除了沿轨道运动之外，每个电子也绕着自己的轴旋转，如果两个电子沿同一轨道运动，只要它们自旋方向不同，泡利博士就一点也不苦恼。现在对电子自旋的研究表明，它们绕自己的轴旋转的速度总是相同的，而且这个轴的方向必须总是垂直于轨道平面。这样就只剩下两种不同的自旋方向，即“顺时针方向”和“逆时针方向”。
我们可以用以下方法重新表述适用于原子的量子态的泡利原理：每个量子运动状态最多可以被两个电子“占据”，在这种情况下，这两个电子的自旋必须是相反的方向。因此，当我们沿着元素的自然序列走向电子越来越多的原子时，我们发现，不同的量子运动态正逐渐被电子填满，原子的直径也逐渐增大。在这种联系中还必须提到，从电子结合强度的角度来看，原子中电子的不同量子态可以被归并成结合能相同的几组分立的量子态（或电子壳层）。当我们沿着元素的自然顺序进行时，量子态一组接着一组被填满，由于它们是按顺序依次填充各个电子壳层，原子的性质也会周期性的变化。这就是对俄罗斯化学家迪米特里·门捷列夫凭经验发现的、众所周知的元素周期性的解释。
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