原子结构

　　人们对原子的认识及对原子结构的探素经历了漫长的过程。

　　古代哲学家的原子观：

　　公元前5世纪，我国当时的哲学家墨翟提出了“端，体之无序Z前者也。”的观点。墨子的“端”即物质的Z小单位，有现代原子的意义，意味着他对物质的非连续性的认识。与此同时，希腊哲学家德漠克利特认为宇宙万物皆由大量极微小的、硬的、不可穿透的、不可分割的粒子所组成，他称这些粒子为原子(atom)，“atom”在希腊文中是不可分割的意思。

　　物质是由不可分割的“端”或“atom”构成的，这就是古代哲学家的原子观，这种观点只是一种哲学上的猜想、推理，没有实验根据，因而对物质结构的认识是朦胧的、幼稚的，还处于萌芽时期。

　　道尔顿的原子结构模型：

　　中世纪之后，原子概念受到了不少科学家的重视。 随着生产和自然科学的发展，原子学说也得到了发展。1803年，英国化学家道尔顿提出了“原子论”学说，其要点是：

　　1、元素是由非常微小、不可再分的微粒即原子组成。原子在一切化学变化中不可再分，并保持自己的独特性质。

　　2、同一种元素所有原子的质量、性质都完全相同。不同元素的原子质量和性质各不相同，原子质量是每一种元素的基本特征之一。

　　3、不同元素化合时，原子以简单整数比结合。和古希腊原子论不同的是道尔顿的原子论和化学分析相结合，涉及不同原子的质量和化合比例。这一理论不仅为化学，也为物理学带来深远影响。这种观点的核心是原子的不可分割性。

　　汤姆生的原子结构模型：

　　到世19纪，随着阴极射线、放射现象、射线的发现动摇了人们对道尔顿“原子论”的看法。年英国科学家汤姆SF现了电子，随着对放射性现象的深人研究，人们终于在20世纪初抛弃了原子不可分割的陈旧观念。

　　1898年汤姆生基于对原子内一定有带电微粒存在的认识，提出了原子是个带正电的球，带负电荷的电子在原子中好像西瓜籽镶嵌在西瓜中一样，原子好似一块“布满浆果的松糕”。

　　卢瑟福的原子结构模型：

　　英国科学家卢瑟福是汤姆生的得意门生，他用α粒子敲开了原子世界的大门，揭开了原子世界的内幕。1911年的一天，他让助手盖革用α粒子撞击厚度为0.6微米的金箔时，助手们的实验结果却出乎他的意料。“我们发现绝大部分α粒子都能穿透金箔，某些改变了方向，甚至再度出现在入射面的同侧”，“入射的个粒子有个被反dan回来了”。

　　卢瑟福不相信自己的耳朵，这好比一张白纸把以每秒二百万公里速率飞行的重型炮dan给dan了回来“不是盖革他们弄错的话，就是我们以前对原子的看法有问题”。

　　实际上，该实验现象是正确的，它表明原子内部有很大的空隙，被反射回来的粒子一定是碰到了质量远大于。粒子的、带正电荷的极小微粒的结果。因为粒子的质量是电子的以余倍，若两者相撞，只可能是电子被dan开，粒子偏离不大。

　　卢瑟福经过精密计算，算出了原子核的直径为10nm~5nm，比原子直径小以10 000倍，并在此实验基础上提出了全新的原子模型一一行星模型原子中有个极小的核，它几乎集中了原子全部的质量，带有n个正电荷，另有n个电子绕核运动，就像行星绕太阳旋转一样。卢瑟福的原子模型成功解释了许多实验现象，对人类认识原子结构具有重要的意义，是科学史上一个划时代的贡献。

　　玻尔的原子结构模型：

　　丹麦科学家玻尔又根据原子行星模型、量子概念和光子概念在1913年阐明原子结构的玻尔理论。提出电子在固定的层面上运动，当电子从一个层面跑到另一个层面时，原子便吸收或释放能量。

　　后来的实验进一步表明，核外电子的运动很特别，它不像行星绕着太阳旋转一样有固定的轨道，而是既像声波、水波一样具有波动性，又像子dan一样具有粒子性。以后又经过很多科学家的努力，建立了目前流行的原子模型。

　　在该模型中，电子绕核高速运动，在一个确定的时刻不能精确测定电子的确切位置。为了描写电子的运动规律，用电子云表示电子在原子周围各区域出现几率的大小。将这种几率分布用图像表示时，以浓淡程度表示几率的大小，其形象如同电子在原子核周围形成的云雾团。

　　科学是没有国界、没有止境的，我们相信，随着实验条件和实验手段的改进，人们对原子内部结构的认识也将会更加科学。

原子的构成

　　原子由带正电的原子核和带负电的核外电子组成，原子核非常小，核外电子占的部分很大。原子核由带正电的质子与不带电的中子构成，原子的质子数等于核外电子数，所以原子不带电。质子和中子，它们还具有内部结构，也就是夸克。

　　电子

　　电子是构成原子的基本粒子之一，质量极小，带负电，在原子中围绕原子核旋转。不同的电子数目不同，例如，每一个碳原子中含有6个电子，每一个氧原子中含有8个电子。能量高的离核较远，能量低的离核较近。通常把电子在离核远近不同的区域内运动称为电子的分层排布。

　　电子是静止质量为9.109×10^-31kg、电荷为-1.602×10^-19C的稳定基本粒子。在一般情况下是指带负电荷的负电子，其反粒子是带正电荷的正电子。

　　质子

　　质子是一种带 1.6×10-19库仑(C)正电荷的亚原子粒子，直径约 1.6~1.7×10^-15 m，质量是938百万电子伏特/c2(MeV/c2)，即1.6726231×10^-27 kg，大约是电子质量的1836.5倍。质子属于重子类，由两个上夸克和一个下夸克通过胶子在强相互作用下构成。

　　中子

　　中子是组成原子核的核子之一。中子是组成原子核构成化学元素不可缺少的成分(注意：氕原子不含中子)，虽然原子的化学性质是由核内的质子数目确定的，但是如果没有中子，由于带正电荷质子间的排斥力(质子带正电，中子不带电)，就不可能构成除只有一个质子的氢之外的其他元素。中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。

　　夸克

　　夸克是一种参与强相互作用的基本粒子，也是构成物质的基本单元。夸克互相结合，形成一种复合粒子，叫强子。强子中Z稳定的是质子和中子，它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象，夸克不能够直接被观测到，或是被分离出来，只能够在强子里面找到。基于这个原因，我们对夸克的所知大都是间接的来自对强子的观测。夸克的性质有：

　　1、夸克是科学家认为不能再分割的一种基本粒子。

　　2、所有的重子都是由三个夸克组成的，反重子则是由三个相应的反夸克组成的，比如质子，中子。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。

　　3、以下夸克都带电，比如质子由2个上夸克和1个下夸克。上夸克携带 2/3 电荷，下夸可携带 负1/3 电荷，所以质子带一单位正电荷。

原子结构与元素的性质

　　原子结构和元素性质的规律性联系，是基础化学的基本理论之一，是中学化学的ZD内容，也是中学生学习化学较难理解的理论。

　　1、元素周期律

　　元素的性质是有规律的，这个规律就是元素周期律:元素性质随着核电荷数(即质子数)的递增而呈周期性的变化，元素按原子序数(核电荷数)递增的顺序依次排列成周期表，原子Z外层上的电子数目由1到8，呈周期性变化，即电子层结构重复s1到s2p6的变化。

　　每一周期(diyi周期除外)都是由碱金属开始，以希有气体结尾，每次这样的重复是一个周期的结束，也是一个周期的开始。元家周期律正是原子内部结构周期性变化的反映，元素的性质的周期性来深于原子电子层结构的周期性。

　　2、核外电子排布

　　关于原子的核外电子排布，首先涉及到的是原子轨道的能量次序问题，在多电子原子中，原子轨道的能Z是由多种因素决定的，它包括占据该轨道电子的动能，该电子受核的吸引位能以及与其所有电子间的库仑排斥能。

　　所以原子轨道的能量与原子的核电荷数有关，也与该电子本身所处的状态、其它电子的状态以及它们之何复杂的相互作用密切相关，对于基态电子的核外电子尽可能按能量Z低原理排布，而微观粒子的运动状态是受量子化条件——全同粒子反对称性要求的限制。

　　电子不可能都挤在一起，还要遵循泡利不相容原理。量子力学的理论也指出在等价轨道上的电子以全充满、全空状态排布的，具有较低的能量和较大的稳定性。

　　3、元素的性质与原子结构

　　如要具体分析元素的性质与原子结构之间的联系，可以分主族元素、副族元素的性质与原子结构的关系来讨论。

　　主族元素：

　　主族元素的族数与其原子Z外层电子数相等，主族元素的Z高氧化数等于原子Z外层电子数，在同一族内，不同元素的原子电子层数不同。Z外层电子数相同，如碱金属都是ns1，卤素都是ns2np5。

　　因此，同一族元素的性质非常相似，而碱金属与卤素相比较，两者Z外层电子结构不同，性质也不同，碱金属原子Z外层仅有一个电子，易失去电子形成阳离子，显很强的金属性，卤素原子Z外层有7个电子，有强烈吸引电子的倾向，易得到一个电子形成阴离子，显很强的非金属性。

　　同一主族元素，由于各元素原子电子层数不同，它们的性质也有一定的差别。

　　副族元素：

　　副族元素的情况稍有不同。次外层上电子数目多于8而不多于18个的一些元素，它们除了能失去Z外层电子外，还能失去次外层电子的一部分d电子。

　　例如铁元素Fe[Ar]3d64s2，它既可失去4s2Z外层两个电子形成氧化数为+2的铁的化合物，也可以再失去一个d电子形成氧化数为+3的铁的化合物。又如镧系元素铈Ce[Xe]4f15d16s2，可以失去6s2Z外层两个电子和5d1次外层一个电子。形成氧化数为+3的铈的化合物，也可以再失去4f1倒数第三层一个电子，形成氧化数为+4的铈的化合物。

　　综合上述可以得出结论，元素性质是由它的原子结构决定的，即由其原子的核电荷数和核外电子层结构决定的。元素的性质，特别是化学性质跟它的原子Z外层电子数目非常密切，有些元素的性质还跟它的原子的次外层电子数目甚至倒数第三层电子数目密切相关，因此只笼统地说元素的性质是由原子的Z外层电子数决定的是不正确。