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原子是能區分出化學元素的最小粒子。典型原子的直徑大約是10-8厘米,質量大約是1.67×10-24 至 4.52×10-22克。
原子由一個極小的原子核和若干圍繞著原子核運行的電子構成,這些電子被稱為核外電子。原子的質量主要由原子核決定,體積主要由核外電子的運動範圍決定。
構成原子的粒子有三種:
* 帶一個單位負電荷的電子,質量大約是9.11x10-31千克。其大小屬於量子尺度,根據測不准原理無法準確測出其大小與位置,僅能以波函數描述其分佈。
* 帶一個單位正電荷的質子,其自由質量約是電子質量的1836倍(1.67x10-27千克),但束縛能會使質子的質量減少。
* 不帶電荷的中子,其自由質量約是電子質量的1839倍,並具有和質子近乎相同的物理大小。(直徑大約在2.5x10-15米這一級別上,不過質子和中子的「表面」還沒有非常明確的界定[來源請求])
原子核
質子和中子構成原子核。原子核位於原子的中央,佔據了整個原子的絕大部分質量,但僅有很小的體積,約占整個原子體積的100,000分之一。原子核中質子數也就是原子序數或核電荷數。例如,碳的原子核中含有6個質子,碳的原子序數就是6。原子核中質子數和中子數的總和叫做質量數。質子和中子緊密地堆在一起,因此原子核的密度很大。整個原子核是帶正電荷的。
核外電子
電子所帶有的負電荷,與質子中的正電荷電量相等,電性相反。原子中電子和質子的數目是相等的,因此原子整體上呈電中性。核外電子根據其能量大小,屬於不同的能級,可以用電子層這一形象的概念描述電子圍繞原子核運動的情況。最接近原子核的電子層編號為1層,外面一層為2層,以此類推。核外電子在電子層中的排布通常滿足以下規則:
* 每一層容納的電子數最多為2n2個;
* 從最內層排起,排滿一層再排下一層;
* 最外層電子數不大於8個;
* 倒數第二層的電子層不大於18個。
正是由於核外電子的排布不同,才使得不同元素的化學性質各異。而核外電子排布相近的元素化學性質也相近。例如氟,氯,溴,碘的最外層電子數都是7個,因而它們的化學性質相近,在元素周期表中也屬於同一族。
原子在化學反應中通常會發生核外電子的遷移,使得核外電子數與質子數不相等。這時原子就變成了帶電荷的離子。
同位素
同位素是指原子核中具有相同數目的質子,但中子數目不同的元素。例如氫元素有三種同位素:氕、氘和氚,它們原子核中都有1個質子,但中子數分別為0個,1個和2個。
同位素在元素周期表上佔有同一位置,化學性質幾乎相同。
原子結構理論發展史
「原子」一詞來自希臘語άτομος或átomos,意為「不可分的」。然而現在人類已發現原子是由多種亞原子粒子組成的。這些粒子包括上面所提到的質子、中子和電子。目前,科學家認為質子和中子還由其他更基本的粒子組成。
現代的原子概念由英國化學家約翰·道爾頓提出。1803年他發表「原子說」,提出所有物質都由原子構成。1909年,歐內斯特·盧瑟福領導的金箔實驗驗證了原子的存在。