原子结构与亚原子粒子

本页只讲一条中四内容标准：原子结构与亚原子粒子。它把历史模型变成你将在往后整份课程里使用的原子工作图景，用于同位素、电子排布、化学键与元素周期表。

把这三种粒子及其性质在这里定下来，SPM化学 里后续的一切都会更容易。

原子的结构

原子由一个极小的中央核外加电子构成。核里含有两类粒子，质子与中子（合称核子），它掌握着原子几乎全部的质量。

电子在称为壳层（能级）的区域里绕核运动。由于电子占据核周围的空间，而核本身极小，所以原子其实大部分是空的空间。

三种亚原子粒子

你必须知道每种粒子的位置、相对质量与相对电荷。由于实际的质量与电荷都极小，化学家用相对值来比较：

• 质子，位于核内；相对质量 1；相对电荷 +1。
• 中子，位于核内；相对质量 1；相对电荷 0（不带电）。
• 电子，位于核周围的壳层里；相对质量约为 1/1840（小到通常当作可忽略）；相对电荷 −1。

关键观念。 原子几乎全部的质量都在核里，因为质子和中子的相对质量各为 1，而电子的质量可忽略。但原子的体积大部分是电子所占据的空间。

原子为何呈电中性

在中性原子里，质子数恰好等于电子数。由于每个质子带 +1 的电荷、每个电子带 −1 的电荷，正电荷与负电荷相互抵消，所以原子没有总电荷。

这一条规则，中性原子里质子等于电子，会一直用到，所以要把它变成本能。（当原子得到或失去电子时，它就变成带电的离子，但那要到化学键那一章才讲。

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例题

题目。 一个铝原子有 13 个质子和 14 个中子。

请说出 (a) 中性原子里的电子数，(b) 每类粒子的位置，以及 (c) 哪些粒子构成原子几乎全部的质量，并给出理由。

第一步，求电子数。 在中性原子里，电子数 = 质子数 = 13 个电子。

第二步，说出位置。 13 个质子和 14 个中子在核内；13 个电子在核周围的壳层里运动。

第三步，辨认质量在哪里。 几乎全部的质量来自核内的质子和中子，因为它们的相对质量各为 1，而 13 个电子的质量可忽略（每个约 1/1840）。

答案。 (a) 13 个电子。

(b) 质子和中子在核内；电子在壳层里。(c) 质子和中子（核子）构成几乎全部的质量，因为它们的相对质量各为 1，而电子的质量可忽略。

练习题

题目。 补全以下三种亚原子粒子的比较，给出每种的相对质量与相对电荷：质子、中子、电子。

然后说出原子不带任何总电荷的一个理由。

答案。 质子：相对质量 1，相对电荷 +1。中子：相对质量 1，相对电荷 0。电子：相对质量 1/1840（可忽略），相对电荷 −1。原子不带总电荷，是因为它含有数目相等的质子与电子，所以总的正电荷恰好抵消总的负电荷。

考试提示

给自己画一张三行的小表，粒子、相对质量、相对电荷，并在动笔前凭记忆把它重现出来；这条标准几乎每道题都能直接从这张表答出。有两点值得强调，因为它们评分很严：电子的质量是可忽略（除非题目要你取整，否则不要把它的相对质量写成「0」，要说「可忽略」或「1/1840」），而中性原子始终有数目相等的质子与电子。

若题目提到离子或电荷，请记住得失的是电子，核里的质子数永远不变。

为什么用「相对」值

质子的实际质量极小，实际电荷也只是库仑的极小一部分，这些数字在每次计算里都很别扭。于是化学家把质子的质量定为 1 个单位、电荷定为 +1 个单位，再用相对于它的方式来描述其他粒子。

这就是为什么实际质量与质子几乎相同的中子，相对质量取为 1；也是为什么远轻得多的电子，相对质量取为可忽略。往后你遇到相对原子质量时，同样的思路会再次出现，所以现在就把「相对」的思维用熟，会在整门科目里得到回报。

用图来表示原子

你可能被要求画出或解读一张简单的原子结构图。把核画成中央一个小圆圈，在里面写上质子和中子的数目，再把电子画成绕核的弧形壳层上的点或叉，先填最内层。

一张整洁的图能一眼看出质子和中子挤在小小的核里，而电子占据周围大得多的空间，这幅画同时强化了「质量在核里」与「大部分是空的空间」两个观念。务必把粒子清楚标注，因为往往会专门为正确的标注给分。

本节定位

本条标准是**物质与原子结构一章的核心，直接引向质子数、核子数与同位素。请用复习笔记复习它，用练习题**检验理解。

在我们的在线一对一 SPM化学课上，以英文授课，每小时 RM50 起，我们的老师会确保你能凭记忆搭出这张粒子表、并毫不迟疑地运用「质子等于电子」的规则，因为这正是同位素与化学键的根基。

快速回顾

• 原子 = 中央核（质子＋中子）外加分布在壳层里的电子。
• 质子：相对质量 1，电荷 +1。中子：相对质量 1，电荷 0。电子：质量可忽略，电荷 −1。
• 几乎全部质量在核里；大部分体积是核周围的空的空间。
• 中性原子里质子与电子数目相等。