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 库仑，质量约为 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 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 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 粒子会被弹回？
粒子带正电，原子核也带正电。当 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， 粒子动能不足以克服这个斥力，便被“反弹”回来。大多数 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 。
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 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 到 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 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。
由于电子质量极小（约为质子质量的 ），在计算相对原子质量时可以忽略电子的质量，因此：
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：
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。
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 ；电子数为10，提供负电荷 。净电荷为 ，即该粒子带 2个单位的负电荷，记作 ，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
答案：B
原子核由质子和中子构成，不含电子。质子带正电，中子不带电，所以原子核整体带正电。原子核位于原子中心，集中了原子绝大部分的质量，不可忽略。
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
答案：C
质子数（即核电荷数）是决定元素种类的根本因素。相同质子数的原子一定属于同一种元素，中子数可以不同（同位素），电子数在失去或得到电子后也可改变（形成离子），但质子数不变，元素种类就不变。
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
答案：A
中性原子中，核外电子数等于质子数。该原子质子数为17，所以核外电子数也是 17。（这是氯原子 Cl，相对原子质量约为35。）
第4题【知识点：卢瑟福金箔实验】
在卢瑟福 粒子散射实验中，大多数 粒子穿过金箔后几乎不偏转，原因是：
A. 粒子的质量太大，不受原子影响
B. 金箔太薄，无法阻挡 粒子
C. 原子内部大部分空间是空旷的，原子核体积极小
D. 粒子与金原子电性相同，互相排斥
答案：C
原子的大部分体积是“空的”——核外空间极为广阔，原子核只占极小的体积。大多数 粒子通过时根本接触不到原子核，因此直线穿过而不发生偏转。只有极少数粒子正面冲向原子核，才会因静电排斥而发生大角度偏转。
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：
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：
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：
该粒子有 10个电子。
（3）正电荷 = ，负电荷 = ，净电荷为 ，该离子带 1个单位正电荷。
离子符号为：