原子的内部结构

世界上所有的物质——铁、水、空气、食盐，甚至你的身体——都是由极其微小的粒子构成的。这些粒子小到无法用任何显微镜直接看见，但科学家通过一系列精妙的实验，逐渐揭开了它们内部的秘密。原子不是一个实心的小球，它的内部有着精密的结构，正是这个结构决定了每一种元素的化学性质。

物质究竟小到什么程度

一块食盐放入水中会消失不见，铁块在潮湿的空气里会慢慢生锈，蜡烛燃烧后只剩下一滩液体。这些变化背后有一个共同的问题：物质如果一直被分割下去，最终会变成什么？

古希腊哲学家曾提出，物质存在一个最小的、不可再分的单位。19世纪初，英国化学家约翰·道尔顿（John Dalton）用实验数据证明了这个想法——他提出，每一种元素都由一种特定的微粒构成，这种微粒就叫做原子。

原子是化学变化中的最小微粒。在化学反应里，原子不会被创造，也不会消失，只是重新排列组合，形成新的物质。

道尔顿认为原子是一个坚硬的实心小球，不同元素的原子质量和大小各不相同。这个模型虽然简单，但已经能够解释很多化学现象。

例题 1

将一小勺食盐（氯化钠）溶于水中，溶液变得透明，看不到食盐颗粒。从原子的角度解释这一现象。

食盐由钠原子和氯原子构成的微粒组成。溶于水后，这些微粒均匀分散在水分子之间，间距极小，肉眼无法看见，但原子本身并未消失或改变。

电子的发现——原子并非“实心”

道尔顿的模型在19世纪末遇到了挑战。英国物理学家约瑟夫·汤姆森（J.J. Thomson）做了一个关键实验：他让电流通过密封在玻璃管里的稀薄气体，发现阴极（负极）一侧会射出一种神秘的射线，这种射线可以被电场和磁场偏转。

经过测量，汤姆森确认：这种射线由带负电荷的粒子组成，而且无论使用什么材料的电极，射出的粒子都完全相同。这说明这种粒子是所有原子共有的成分。这种粒子后来被命名为电子。

汤姆森由此提出了一个新的原子模型：原子是一个带正电的“实心球”，电子像葡萄干一样均匀嵌在里面。这个模型常被称为“葡萄干蛋糕模型”。

电子的电荷量是一个基本物理常量，记作 $e = 1.6 \times 10^{-19}$ 库仑，质量约为 $9.1 \times 10^{-31}$ 千克。这个数值非常小，但在后续所有原子计算中都会用到它。

例题 2

汤姆森实验中，阴极射线在磁场中发生了偏转，说明了什么？

带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力而改变运动方向。阴极射线发生偏转，说明它由带电粒子组成。通过偏转方向可以判断粒子带负电荷，这正是电子带负电的直接证据。

卢瑟福的金箔实验——原子核的发现

汤姆森的模型没能维持太久。1911年，新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）设计了一个令人震惊的实验。

他用一束带正电的 $\alpha$ 粒子（即氦核）轰击一张极薄的金箔，在金箔周围放置了荧光屏来记录 $\alpha$ 粒子的去向。

实验结果出乎所有人的预料：

卢瑟福对此的解释是：原子的质量和正电荷并不像汤姆森模型那样均匀分布在整个原子中，而是高度集中在一个极小的中心区域——这个中心就叫做原子核。原子核体积极小，但集中了原子几乎全部的质量；原子核之外，大部分空间是空旷的，电子在这片空间里运动。

卢瑟福金箔实验是化学史上最重要的实验之一。它推翻了“葡萄干蛋糕模型”，确立了“核式结构模型”：原子的中心是带正电的原子核，电子在核外广大空间内运动。

例题 3

在卢瑟福实验中，为什么极少数 $\alpha$ 粒子会被弹回？

$\alpha$ 粒子带正电，原子核也带正电。当 $\alpha$ 粒子以极小概率正面接近原子核时，两者之间产生强烈的同性电荷排斥力， $\alpha$ 粒子动能不足以克服这个斥力，便被“反弹”回来。大多数 $\alpha$ 粒子直线穿过，是因为原子内部空间极大，大部分粒子根本不会靠近原子核。

原子核的内部——质子与中子

原子核虽然极小，但它本身也有结构。科学家经过进一步研究发现，原子核由两种粒子构成：

质子（proton）：带正电荷，每个质子携带一个单位正电荷 $+e$ 。

中子（neutron）：不带电，质量与质子接近。

质子的数量决定了这个原子属于哪种元素。氢原子的核里只有1个质子，碳原子有6个，铁原子有26个。原子核中的质子数，就是该元素的原子序数，也叫核电荷数。

记住：一种元素的本质特征，就是它的原子核中质子的数量。质子数改变了，元素就变了，这也是为什么普通化学反应无法将一种元素变成另一种元素。

例题 4

碳元素的原子序数是6，请说出一个碳原子核内有多少个质子，若该碳原子不带电，核外有多少个电子？

原子序数等于质子数，所以碳原子核内有 6个质子。不带电的原子中，正电荷与负电荷数量相等，所以核外有 6个电子。

原子的质量与大小

原子非常非常小。一个氢原子的直径约为 $1 \times 10^{-10}$ 米（即0.1纳米）。原子核的直径更只有原子直径的约万分之一，大约是 $10^{-15}$ 到 $10^{-14}$ 米的量级。

用真实的质量来描述原子极为不便，因此化学中引入了相对原子质量的概念：以碳-12原子质量的 $\frac{1}{12}$ 作为标准，其他原子的质量与这个标准相比，得到的数值就是相对原子质量。

\text{相对原子质量} = \frac{\text{原子的实际质量}}{\frac{1}{12} \times \text{碳-12原子的实际质量}}

由于电子质量极小（约为质子质量的 $\frac{1}{1836}$ ），在计算相对原子质量时可以忽略电子的质量，因此：

\text{相对原子质量} \approx \text{质子数} + \text{中子数}

例题 5

某原子的相对原子质量为27，质子数为13，求该原子核中的中子数。

解：

\text{中子数} = \text{相对原子质量} - \text{质子数} = 27 - 13 = 14

该原子核中有 14个中子。（这是铝原子 Al）

原子的电中性——电荷平衡

正常状态下，原子不带任何电荷，是“电中性”的。这意味着原子核内质子所带的正电荷总量，恰好等于核外电子所带的负电荷总量。

\text{质子数} = \text{核外电子数}

这个关系非常重要。一旦原子失去或得到电子，整体电荷就不再为零，原子就变成了离子（这将在后续内容中详细讨论）。

例题 6

氧原子的质子数为8，若一个氧原子核外有10个电子，它带什么电荷？电荷量为多少？

质子数为8，提供正电荷 $+8e$ ；电子数为10，提供负电荷 $-10e$ 。净电荷为 $8e - 10e = -2e$ ，即该粒子带 2个单位的负电荷，记作 $O^{2-}$ ，这是氧离子。

原子和离子是不同的粒子。原子呈电中性，离子带有净电荷。化学反应中，原子得到或失去电子后形成离子，但质子数不会发生变化，元素种类也不变。

原子模型的演变历程

从道尔顿到卢瑟福，人类对原子结构的认识经历了大约一百年的演变。每一次新的实验证据，都推动了模型的更新。

科学模型不是一次性的“终极答案”，而是对已知实验事实的最佳解释。每当出现新的实验证据，模型就会被修正或取代。这正是科学不断进步的方式。

练习题

选择题

第1题【知识点：原子核的构成】

下列关于原子核的描述，正确的是：

A. 原子核由质子和电子构成

B. 原子核由质子和中子构成，带正电

C. 原子核位于原子的外层

D. 原子核的质量可以忽略不计

第2题【知识点：质子数与元素种类】

决定一种元素种类的根本因素是：

A. 原子的质量

B. 原子核外的电子数

C. 原子核中的质子数

D. 原子核中的中子数

第3题【知识点：原子电中性】

一个原子的质子数为17，中子数为18，则该原子核外电子数为：

A. 17

B. 18

C. 35

D. 1

第4题【知识点：卢瑟福金箔实验】

在卢瑟福 $\alpha$ 粒子散射实验中，大多数 $\alpha$ 粒子穿过金箔后几乎不偏转，原因是：

A. $\alpha$ 粒子的质量太大，不受原子影响

B. 金箔太薄，无法阻挡 $\alpha$ 粒子

C. 原子内部大部分空间是空旷的，原子核体积极小

D. $\alpha$ 粒子与金原子电性相同，互相排斥

计算题

第5题【知识点：相对原子质量与中子数计算】

已知铁元素（Fe）的相对原子质量为56，原子序数（质子数）为26。

（1）铁原子核中含有多少个中子？

（2）一个铁原子核外共有多少个电子？

解题过程：

（1）求中子数：

\text{中子数} = \text{相对原子质量} - \text{质子数} = 56 - 26 = 30 \text{（个）}

铁原子核中含有 30个中子。

（2）求核外电子数：

中性原子中，核外电子数等于质子数：

\text{核外电子数} = \text{质子数} = 26 \text{（个）}

一个铁原子核外共有 26个电子。

第6题【知识点：原子电荷平衡与离子】

某原子 X 的质子数为11，在一次化学反应中，该原子失去了1个电子，形成了离子。

（1）该原子是哪种元素？（提示：质子数为11的元素是钠，Na）

（2）形成离子后，该粒子的质子数和电子数各是多少？

（3）该离子带什么电荷？写出离子符号。

解题过程：

（1）质子数为11，对应元素为钠（Na）。

（2）质子数不因化学反应而改变，仍为 11个质子。

失去1个电子后：

\text{电子数} = 11 - 1 = 10 \text{（个）}

该粒子有 10个电子。

（3）正电荷 = $11e$ ，负电荷 = $10e$ ，净电荷为 $+1e$ ，该离子带 1个单位正电荷。

离子符号为： $\text{Na}^{+}$

原子的内部结构

物质究竟小到什么程度

原子是化学变化中的最小微粒。在化学反应里，原子不会被创造，也不会消失，只是重新排列组合，形成新的物质。

道尔顿认为原子是一个坚硬的实心小球，不同元素的原子质量和大小各不相同。这个模型虽然简单，但已经能够解释很多化学现象。

例题 1

将一小勺食盐（氯化钠）溶于水中，溶液变得透明，看不到食盐颗粒。从原子的角度解释这一现象。

食盐由钠原子和氯原子构成的微粒组成。溶于水后，这些微粒均匀分散在水分子之间，间距极小，肉眼无法看见，但原子本身并未消失或改变。

电子的发现——原子并非“实心”

汤姆森由此提出了一个新的原子模型：原子是一个带正电的“实心球”，电子像葡萄干一样均匀嵌在里面。这个模型常被称为“葡萄干蛋糕模型”。

例题 2

汤姆森实验中，阴极射线在磁场中发生了偏转，说明了什么？

带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力而改变运动方向。阴极射线发生偏转，说明它由带电粒子组成。通过偏转方向可以判断粒子带负电荷，这正是电子带负电的直接证据。

卢瑟福的金箔实验——原子核的发现

汤姆森的模型没能维持太久。1911年，新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）设计了一个令人震惊的实验。

他用一束带正电的 $\alpha$ 粒子（即氦核）轰击一张极薄的金箔，在金箔周围放置了荧光屏来记录 $\alpha$ 粒子的去向。

实验结果出乎所有人的预料：

例题 3

在卢瑟福实验中，为什么极少数 $\alpha$ 粒子会被弹回？

$\alpha$ 粒子带正电，原子核也带正电。当 $\alpha$ 粒子以极小概率正面接近原子核时，两者之间产生强烈的同性电荷排斥力， $\alpha$ 粒子动能不足以克服这个斥力，便被“反弹”回来。大多数 $\alpha$ 粒子直线穿过，是因为原子内部空间极大，大部分粒子根本不会靠近原子核。

原子核的内部——质子与中子

原子核虽然极小，但它本身也有结构。科学家经过进一步研究发现，原子核由两种粒子构成：

质子（proton）：带正电荷，每个质子携带一个单位正电荷 $+e$ 。

中子（neutron）：不带电，质量与质子接近。

例题 4

碳元素的原子序数是6，请说出一个碳原子核内有多少个质子，若该碳原子不带电，核外有多少个电子？

原子序数等于质子数，所以碳原子核内有 6个质子。不带电的原子中，正电荷与负电荷数量相等，所以核外有 6个电子。

原子的质量与大小

\text{相对原子质量} = \frac{\text{原子的实际质量}}{\frac{1}{12} \times \text{碳-12原子的实际质量}}

由于电子质量极小（约为质子质量的 $\frac{1}{1836}$ ），在计算相对原子质量时可以忽略电子的质量，因此：

\text{相对原子质量} \approx \text{质子数} + \text{中子数}

例题 5

某原子的相对原子质量为27，质子数为13，求该原子核中的中子数。

解：

\text{中子数} = \text{相对原子质量} - \text{质子数} = 27 - 13 = 14

该原子核中有 14个中子。（这是铝原子 Al）

原子的电中性——电荷平衡

正常状态下，原子不带任何电荷，是“电中性”的。这意味着原子核内质子所带的正电荷总量，恰好等于核外电子所带的负电荷总量。

\text{质子数} = \text{核外电子数}

这个关系非常重要。一旦原子失去或得到电子，整体电荷就不再为零，原子就变成了离子（这将在后续内容中详细讨论）。

例题 6

氧原子的质子数为8，若一个氧原子核外有10个电子，它带什么电荷？电荷量为多少？

质子数为8，提供正电荷 $+8e$ ；电子数为10，提供负电荷 $-10e$ 。净电荷为 $8e - 10e = -2e$ ，即该粒子带 2个单位的负电荷，记作 $O^{2-}$ ，这是氧离子。

原子模型的演变历程

从道尔顿到卢瑟福，人类对原子结构的认识经历了大约一百年的演变。每一次新的实验证据，都推动了模型的更新。

练习题

选择题

第1题【知识点：原子核的构成】

下列关于原子核的描述，正确的是：

A. 原子核由质子和电子构成

B. 原子核由质子和中子构成，带正电

C. 原子核位于原子的外层

D. 原子核的质量可以忽略不计

第2题【知识点：质子数与元素种类】

决定一种元素种类的根本因素是：

A. 原子的质量

B. 原子核外的电子数

C. 原子核中的质子数

D. 原子核中的中子数

第3题【知识点：原子电中性】

一个原子的质子数为17，中子数为18，则该原子核外电子数为：

A. 17

B. 18

C. 35

D. 1

第4题【知识点：卢瑟福金箔实验】

在卢瑟福 $\alpha$ 粒子散射实验中，大多数 $\alpha$ 粒子穿过金箔后几乎不偏转，原因是：

A. $\alpha$ 粒子的质量太大，不受原子影响

B. 金箔太薄，无法阻挡 $\alpha$ 粒子

C. 原子内部大部分空间是空旷的，原子核体积极小

D. $\alpha$ 粒子与金原子电性相同，互相排斥

计算题

第5题【知识点：相对原子质量与中子数计算】

已知铁元素（Fe）的相对原子质量为56，原子序数（质子数）为26。

（1）铁原子核中含有多少个中子？

（2）一个铁原子核外共有多少个电子？

解题过程：

（1）求中子数：

\text{中子数} = \text{相对原子质量} - \text{质子数} = 56 - 26 = 30 \text{（个）}

铁原子核中含有 30个中子。

（2）求核外电子数：

中性原子中，核外电子数等于质子数：

\text{核外电子数} = \text{质子数} = 26 \text{（个）}

一个铁原子核外共有 26个电子。

第6题【知识点：原子电荷平衡与离子】

某原子 X 的质子数为11，在一次化学反应中，该原子失去了1个电子，形成了离子。

（1）该原子是哪种元素？（提示：质子数为11的元素是钠，Na）

（2）形成离子后，该粒子的质子数和电子数各是多少？

（3）该离子带什么电荷？写出离子符号。

解题过程：

（1）质子数为11，对应元素为钠（Na）。

（2）质子数不因化学反应而改变，仍为 11个质子。

失去1个电子后：

\text{电子数} = 11 - 1 = 10 \text{（个）}

该粒子有 10个电子。

（3）正电荷 = $11e$ ，负电荷 = $10e$ ，净电荷为 $+1e$ ，该离子带 1个单位正电荷。

离子符号为： $\text{Na}^{+}$