原子结构：原子由什么组成

原子是化学元素的最小粒子，保持着元素的化学性质。它的结构比看起来更简单，只有两个“部分”：

• 原子核 — 原子的中心。它包含两种粒子：带正电的质子和不带电的中子。原子核极其微小——大约比整个原子小10万倍——但它集中了原子99.9%以上的质量。
• 电子壳层 — 原子其余的空间，轻盈的带负电的电子在核外运动。

如果把原子放大到体育场大小，原子核就像球场中心的一颗豌豆，其余空间都被“几乎空无一物”的电子壳层占据。

宇宙中所有的原子都由这三种粒子组成，区别仅在于数量。比较这些粒子可以从三个特征入手：电荷、质量和“居住地”。

质子和中子的质量几乎相同，约为1 amu（原子质量单位）。电子的质量比它们轻约1836倍，因此在计算时通常忽略电子的质量。而质子和电子的电荷量相等但符号相反：只要原子中质子数等于电子数，原子就是电中性的。

任何原子的组成都可以用两个数字描述：

• 电荷数 Z — 原子核内的质子数。这正是元素在周期表中的序号：1号是氢（1个质子），8号是氧（8个质子），79号是金（79个质子）。因此，在行星原子模型中，原子核内的质子数等于电子数：原子是中性的，每一个质子对应一个电子。
• 质量数 A — 原子核内粒子的总数：\(A = Z + N\)，其中 N 是中子数。由此得出学校习题中最常用的公式：\(N = A - Z\)。

原子的组成表示为：\(^{A}_{Z}\text{X}\)。例如，\(^{35}_{17}\text{Cl}\) 表示氯，它有17个质子，中子数为 35 − 17 = 18。下方的速查表总结了计算步骤。

电子并非随意在核外飞行：它们分布在能级（壳层）上。离原子核越远，能级容纳的电子越多，最大容量遵循公式 \(2n^2\)：

• 第一能级 — 最多 2 个电子；
• 第二能级 — 最多 8 个；
• 第三能级 — 最多 18 个；
• 第四能级 — 最多 32 个。

能级按从内到外的顺序填充。例如，氧 (Z = 8) 的电子排布为 2, 6；钠 (Z = 11) 为 2, 8, 1；氯 (Z = 17) 为 2, 8, 7。最外层的电子称为价电子——它们参与化学反应并决定元素的性质。

能级的数量也可以通过周期表判断：它等于元素所在的周期数。在高中阶段，能级会进一步细分为 s, p, d, f 亚层，并写出电子排布式——例如，氧的排布为 1s²2s²2p⁴。

元素的质子数不能改变：增加一个质子，就会变成另一种元素。但中子数可以不同。同位素是指质子数相同（Z相同）但中子数不同，从而质量数（A）也不同的同一种元素的原子。

经典的例子是氢及其三种同位素：氕 \(^{1}_{1}\text{H}\)（无中子）、氘 \(^{2}_{1}\text{H}\)（1个中子）和氚 \(^{3}_{1}\text{H}\)（2个中子）。在化学性质上，同位素几乎无法区分：化学反应主要由电子决定，而同位素的电子数相同。

正是因为同位素的存在，周期表中的原子质量通常是小数：它是该元素所有天然同位素的加权平均值。例如，氯的原子质量为35.45，因为天然氯是由氯-35和氯-37组成的混合物。

“原子”一词源于希腊语 atomos，意为“不可分割”：德谟克利特曾这样设想，19世纪初道尔顿基于此建立了第一个科学原子理论。但19世纪末至20世纪初的发现表明：原子具有内部结构。

• 1897年 — 汤姆逊模型（“葡萄干布丁模型”）。 汤姆逊发现了电子，并推测电子像葡萄干一样嵌入带正电的“介质”中。
• 1911年 — 卢瑟福行星模型。 通过用 α 粒子轰击金箔，卢瑟福发现几乎所有的质量和正电荷都集中在微小的原子核中，电子像行星绕太阳一样绕核运动。
• 1913年 — 玻尔模型。 尼尔斯·玻尔修正了模型：电子并非在任意轨道运动，而是在具有固定能量的特定轨道上运动——由此产生了能级概念。
• 20世纪20年代 — 量子力学模型。 现代物理学不再将电子描述为轨道上的小球，而是电子云——即在空间中发现电子的概率区域。

中学化学至今仍使用带有能级的行星模型（如上图）：对于计算粒子数和电子排布，其精确度完全足够。