人类对原子的认识

19 世纪初英国科学家 Dalton J 总结各种元素化合时的质量比例关系， 提出了原子学说，他认为物质由原子组成，原子不能创造，也不能毁灭且在化学变化中不可再分割，它们在化学反应中保持本性不变。**同一种元素的原 子质量、形状和性质完全相同，不同元素的原子则不相同。**他为原子描 绘了一个最初的模型，并且合理地解释了化学反应所遵循的质量关系，从物质结构的微观角度揭示了宏观化学现象的本质。因此，原子学说的提出在化学发展史上具有重大的科学意义。随着科学技术的发展，许多新的实验现象的出现，尤其是电子、X 射线和放射性现象的发现，使人们修正了原子不可再分割的观念，进而探讨原子的组成及其内部结构的奥秘。

19 世纪后期，物理学家在研究低气压下气体的放电现象时发现了电子， 进一步的实验又证明电子是一种带负电并具有一定质量的微粒，电子能从各种不同物质中分离出来，说明电子普遍存在于原子中。既然电子是原子的一个组成部分，电子又是带负电荷的微粒，而整个原子是电中性的，说明在原子中还存在着某种带正电荷的组成部分，而且它所带正电荷的电量必定和原子中所含电子的负电总量相等。1911 年英国物理学家 Rutherford E 通过α 粒子散射实验证明，原子中这个带正电荷的部分集中在一起，被称为原子核。在此实验的基础上，Rutherford E 提出了带核的原子模型：**原子由原子核和核外电子组成，原子核带正电荷，并位于原子中心，电子带负电荷， 在原子核周围空间做高速运动，**就像行星绕太阳运转一样。原子核所带的正电荷数（简称核电荷数）与核外电子所带负电荷总量相等，所以整个原子是电中性的。原子很小，原子核更小，如果把原子看成是乒乓球体，则原子核只有大头针尖大小，所以，原子内部绝大部分是空的，而原子的质量几乎全部集中在原子核上。

原子核也具有复杂的结构，它由带正电荷的质子和不带电荷的中子组 成。因此，核电荷数由质子数决定，核电荷数的符号为 Z：

核电荷数（Z）=质子数=核外电子数有关电子、质子和中子的基本数据如下页表。

由于电子、质子、中子以及原子质量都很小，计算不方便，因此，通常

用它们的相对质量来计量。国际上选用¹²C = 12作为原子量标准，即以一个

¹² C原子的质量 (1.9927 × 10^-26 kg) 的1 / 12

定义为原子质量单位（atomic mass unit，u），1u=1.6605402×10-27kg。电子、质子和中子的相对质量分别为 0.00055u，1.00728u 和 1.00866u。如果电子的质量忽略不计，原子的相对质量的整数部分就等于质子相对质量（取整数）和中子相对质量（取整数）之和，这个数值叫做质量数，用符号 A 表示，中子数用符号 N 表示，则：

质量数（A）=质子数（Z）+中子数（N）

因此，只要知道上述三个数值中的任意两个，就可以推算出另一个数值来。例如知道硫原子的核电荷数为 16，质量数为 32，则：

硫原子的中子数=A－Z=32－16=16

归纳起来，如以^A X代表一个质量数为A，质子数为Z的原子，那

么构成原子的粒子间的关系可以表示如下：

 质子 Z个

原子( ^A X)原子核中子 (A − Z)个

Z  

核外电子 Z个

具有相同质子数（即核电荷）的同一类原子的总称为元素。迄今已知元素的数目为 111 种。同种元素的原子的质子数相同，但中子数不一定相同， 因此其质量数也可以不相同，这些具有相同质子数而有不同质量数的原子互为同位素。例如氢元素有3种同位素： ¹H，² H和³H，分别称为氢

1 1 1

（氕）、重氢（氘）和超重氢（氚），氘和氚是制造氢弹的材料。元素铀（U）

有²³⁴U， ²³⁵U， ²³⁸U3种同位素，²³⁵U是制造原子弹的材料和核反应堆的

92 92 92 92

燃料。在天然存在的某种元素中，不论是游离态还是化合态，各种同位素所占的原子百分比一般是不变的。我们平常所用的元素原子量，是按各种天然同位素原子所占的一定百分比算出来的平均值。例如氧的原子量可按下表所列的氧同位素丰度（百分比）和原子质量（以 u 为单位）求得：

我国化学家张青莲教授长期从事同位素和原子量测定工作，他主持的科研小组自 1991 年以来曾对铟（In）、锑（Sb）、铈（Ce）、铕（Eu）、铱（Zr） 等元素的原子量进行了精确的测定，他们的研究成果已被国际原子量委员会采纳使用。

原子的组成和内部结构的奥秘被逐步揭示以后，接踵而来的问题是原子核外电子是怎样运动的？是否仍然可以用经典力学来描述？