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我们知道，原子是可再分割的，包括原子核以及绕核运动的核外电子。电子是人类发现的第一个基本粒子，在电子发现前后，关于原子结构的理论逐渐建立和完善，各种原子结构模型相继出现：

其中比较经典、影响较大的是道尔顿、汤姆孙、卢瑟福和玻尔提出的原子结构模型。这些模型的提出对于人类认识原子结构微观世界具有重要意义。

道尔顿的实心球模型（1803）

1803年，道尔顿提出了原子论，并阐述了世界上第一个原子的理论模型，称为原子的实心球模型。

模型理论要点：

●元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的实心球原子组成，原子在一切化学变化中是不可再分的最小单位。

●原子不能创造、不能毁灭，也不能转变，在一切化学反应中都保持自己原有的性质。

另外，道尔顿于1808年出版了《化学哲学新体系》，他为当时所知的元素设计了圆形符号，并用这些符号的组合来表示简单的化合物。他提出：同一种元素的所有原子都相同，不同元素具有不同的原子，而不同原子的区别在于其不同的重量；化合物中的不同元素的原子数量比为简单的整数比。

道尔顿设计的元素符号

由于当时的很难精确测定原子的质量，道尔顿当时给出的很多化合物的原子比例都是错误的。

第一行从左至右：氢H，碳C，氮N，氧O，磷P，硫S

第二行从左至右：铁Fe，锌Zn，铜Cu，铅Pb，银Ag，铂Pt，金Au，汞Hg

第三行从左至右：一氧化碳CO，二氧化碳CO2，一氧化氮NO，一氧化二氮N2O

汤姆孙在1897年发现了电子，否定了道尔顿的实心球模型。道尔顿原子是实心球的模型已不适用了。19世纪初各种关于原子内部结构的模型被提出。

汤姆孙的西瓜模型（1904）

电子发现后，汤姆孙就开始思考本为不可再分的原子是如何构成的？

1904年，汤姆孙为解释原子电中性的问题，提出一种原子模型：原子是一个带正电荷的球，电子镶嵌在里面。原子就像是一块"镶嵌着枣粒的枣糕"或"葡萄干布丁"（plum pudding)，故称"枣糕模型"或"葡萄干布丁模型"；或是像西瓜子（电子）分布在西瓜瓤（原子）中，因此也称为"西瓜模型"。

模型理论要点：

●原子由带正电的球形外壳和在其上运动的电子组成，它们相互均匀地分布；负电荷与正电荷相互抵消；

●在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。（这一模型与粒子透过金属箔的散射分布不符，因实验观测到散射角远远大于按照汤姆孙模型所做的理论预测）。

汤姆孙原子模型 Thomson atomic model

该模型不仅解释了原子为什么是电中性的，对电子在原子里的分布问题等给出合理的解释，还能根据这个模型估算出原子的大小，并解释阴极射线现象和金属在紫外线的照射下能发出电子的现象。

卢瑟福的行星结构模型（1911）

1909年，汤姆孙的学生卢瑟福（Rutherford）做了著名的α 粒子散射实验，又称金箔实验。他用α 粒子轰击金箔，发现绝大多数α 粒子的被金原子散射的偏向很小，但少数的偏向角很大甚至大于90◦。

由此推断，金原子内大多数空间是空的，存在较大的空间；原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小区域，大部分α 粒子从空的部分穿过，偏向角大于90◦的粒子是因为撞上了核被反弹回来。

著名的卢瑟福α粒子散射实验

该实验为建立现代原子核理论打下坚实的基础，被评为"物理最美实验"之一。卢瑟福因此被誉为近代原子核物理学之父。

这个实验证明了原子是由带负电的电子环绕带正电的原子核所构成，推翻了汤姆孙认为原子内正负电荷在空间均匀分布的"西瓜模型"。

在恩师汤姆孙"西瓜模型"的基础上，卢瑟福在1911 年提出了原子的核式行星结构模型，即经典的行星原子模型，又称"有核原子模型"、"原子太阳系模型"。

模型理论要点：

●原子由位于中心带正电的原子核和围绕原子核运动的电子组成，原子核体积极小但集中了原子的大部分质量，带负电的电子像太阳系的行星围绕太阳转一样围绕着原子核旋转。

●根据α 粒子散射实验，可估算出原子的直径约为10–10m，电子的直径约为10-16-10-14m，而原子核的直径约是原子直径的万分之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一。

这个模型最大的成功之处是提出了原子核概念。但根据经典电磁理论，这样的电子会发射出电磁辐射，损失能量，以至电子瞬间坍缩到原子核里，失去了稳定性，这与实际不符，卢瑟福无法解释这个矛盾。另外，它无法正确地解释光谱的不连续性，与经典的力学理论矛盾。

卢瑟福原子模型 Rutherford atomic model

玻尔的量子化模型（1913）

1913年玻尔在卢瑟福原子核模型和普朗克量子理论的基础上，提出了革命性的量子原子模型。

玻尔的原子模型通过定态假设和频率法则说明了原子的稳定性，通过引入量子化条件成功地解释氢原子光谱线规律，加速了量子论的发展。

模型理论要点：

●电子绕原子核做圆形轨道转动，在一定轨道上运动的电子具有一定的能量，称为定态。在定态下运动的电子并不辐射能量。但原子可有许多定态，其中能量最低的定态称为基态。低能轨道接近原子核，高能轨道远离原子核。

●原子中的电子由某一定态跃迁到另一定态时，会放出或吸收能量（辐射），其频率（v）由两定态的能量差决定：hv=E2-E1（h为普朗克常量）。

●原子可能存在的各种定态是不连续的（即量子化的），亦即电子运动的角动量（P）必须等于h/2π的整数倍：P=nh/2π（n=1，2，3…）。这就是玻尔的量子化规则，他将n称为主量子数。

玻尔的量子轨道完美解释了氢原子光谱，也为随后的路易斯化学键理论奠定了基础。1922年，玻尔因量子原子模型获得诺贝尔物理学奖。

中心黑点为原子核

波尔的量子轨道完美的解释了氢原子光谱（箭头显示了氢原子光谱中的莱曼系，巴耳末系和帕申系）

1915年，德国物理学家索末菲（A.Sommerfeld）发展了玻尔理论，他提出电子运动的椭圆形概念，引进了代表椭圆轨道短半轴的第二个量子数——轨道量子数‌ℓ‌（又称角量子数，取值ℓ‌‌ =0，1，2，3，…（n-1））和表征电子轨道在磁场影响发生的变化的第三个量子数——磁量子数m，有2‌ℓ‌ +1个值。

到1925年，荷兰物理学家乌伦贝克（George Uhlenbeck）和古兹米特（Samuel Goudsmit）在研究碱金属光谱的精细结构时，又提出电子自旋概念。于是又引进了自旋量子数s=±1/2。同年，奥地利物理学家泡利（Wolfgang Pauli）提出，在同一原子中，两个电子不能共处于同一量子状态，即所谓"不相容原原理"。

另外，玻尔认为原子中的电子是成群地处在一些绕核的层和壳里，每一层可容纳不多于某一确定数目的电子。他计算出原子中各个轨道上所能容纳的电子数目分别是2、8、18、18、32。他提出：元素的化学性质与壳层内的电子是填满还是空着有关。由此，他以2、8、18、18、32为周期的方法排布核外电子，构建了一个新的宝塔式的元素周期表。

玻尔从电子排布角度构建的宝塔式元素周期表

现代量子力学模型（1920–1930）

玻尔的量子原子模型成功解释了氢原子和其它单电子原子（如带一个正电荷的氦离子）的某些性质，但对多电子原子玻尔模型仍存在很大的局限性。比如，对于稍微复杂一点的多电子原子（如氦原子），玻尔理论无法解释它的光谱现象，这说明它还未完全揭示微观粒子运动的规律。

1920–1930十年间，德布罗意、海森堡、薛定谔等著名物理学家建立了量子力学，成为现代科学研究微观原子世界的基础理论。

1924年，法国物理学家德布罗意（de Broglie）提出了物质波假说，将波粒二象性运用于电子之类的微观粒子，把量子论发展到一个新的高度。德布罗意提出，电子也具有波动性。

1926年，德国物理学家海森堡（W.K.Heisenberg）和奥地利物理学家薛定（E.Schrodinger）分别建立一种新型的运动方程，表达物质的波粒二象性、能量量子化等特征。海森堡提出的形式是矩阵力学，薛定谔建立的则是波动力学。后来，薛定谔论证了这两种不同数学形式是等价的，可相互变换。由于波动方程所用的方法比较方便，所以后来被广泛采用。这就是著名的薛定谔方程：Hψ(r)=Eψ(r)。

薛定谔原子模型 Schrödinger’s Atomic Model

量子力学用完美的数学公式描述电子在原子核周围出现的概率，而原子轨道在量子力学中可以理解成具有特定属性的电子在空间中的概率分布。化学家为了让这些抽象的数学概念更易被理解和应用，常用图像的形式表现原子轨道。

原子轨道

第一行从左至右：2p轨道，3d轨道，3d轨道；

第二行：全部为4f轨道。

对于上图显示的原子轨道，其三维表面是电子出现概率相同的等值面，即电子在该表面不同位置出现的概率相同。而等值面的选择依据是，电子在等值面所包围的空间内出现的概率为90%。

目前人类对于原子结构的探索仍在继续。

核物理学家正在研究原子核内部质子和中子的排布方式以及原子核的终极尺寸等问题。另外，我们现在知道质子和中子是由更小的基本粒子（夸克）组成。未来，还有更多的未知等待被探索……