质子数、核子数与同位素

本页只讲一条中四内容标准：质子数、核子数与同位素。它是 SPM化学 里最便于计算的标准之一，一旦你会读标准的原子符号，就能在几秒内数出质子、中子与电子，并有把握地解释同位素。

质子数与核子数

两个数字界定一个原子：

• 质子数（也称原子序数，符号 Z）是核内质子的数目。它标定元素，某元素的每个原子都有相同的质子数。
• 核子数（也称质量数，符号 A）是核内质子与中子的总数。

由这两个数字你就能求出其余的一切：

• 中子数 = A − Z（核子数 − 质子数）。
• 电子数 = 质子数 = Z（在中性原子里）。

标准原子符号把核子数写成符号左上方的上标、质子数写成左下方的下标，例如钠的符号 A = 23、Z = 11。把上面的数读作质子加中子，把下面的数读作质子。

同位素

同位素是同种元素（因而质子数相同）、但核子数不同的原子，因为它们含有不同数目的中子。常见的例子有氢的三种同位素（分别有 0、1、2 个中子）、碳-12、碳-13 与碳-14，以及氯-35 与氯-37。

由于同位素有相同的电子数与相同的电子排布，它们有相同的化学性质，反应方式完全一样。但由于它们的中子数不同，它们的质量不同，因而物理性质略有不同，如密度、熔点与沸点。

关键观念。 质子数相同 → 元素相同、化学性质相同。中子数不同 → 质量不同、物理性质不同。化学由电子决定；质量由质子和中子决定。

同位素有重要用途：碳-14 用于放射性碳定年，钴-60 用于治疗癌症与消毒器材，碘-131 用于诊断与治疗甲状腺问题。你不必背长清单，一两个正确的例子就够了。

例题

题目。 一个氯原子的符号里核子数为 37、质子数为 17。

请说出这个原子里质子、中子与电子的数目，并解释它为何与氯-35 有相同的化学性质。

第一步，读两个数。 核子数 A = 37；质子数 Z = 17。

第二步，求质子与电子。 质子数 = Z = 17。

在中性原子里，电子数 = 质子数 = 17 个电子。

第三步，求中子。 中子数 = A − Z = 37 − 17 = 20 个中子。

第四步，解释化学性质。 氯-37 与氯-35 都有 17 个质子和 17 个电子，所以它们有相同的电子排布。

化学性质取决于电子排布，所以这两种同位素反应方式相同。

答案。 17 个质子、20 个中子、17 个电子。

氯-37 与氯-35 化学性质相同，是因为两者都有 17 个电子、排布相同；它们只在中子数（因而质量）上不同。

练习题

题目。 一个原子的质子数为 19、核子数为 39。

(a) 说出该元素的名称并给出中子数。(b) 同种元素的第二个原子核子数为 41。

说出这两个原子之间的关系以及第二个原子的中子数。

答案。 (a) 质子数 19 是钾；中子数 = 39 − 19 = 20 个中子。(b) 这两个原子是同位素（质子数相同、核子数不同）。第二个原子有 41 − 19 = 22 个中子。它们化学性质相同，但质量不同。

考试提示

把每道符号题拆成三个快步骤：读 Z（质子，中性原子里也是电子），读 A（核子），再相减得中子（A − Z）。最常见的错误是把核子数当成中子数，它是质子加中子，所以必须相减。

对同位素题，始终分两半作答：说明化学性质相同（电子排布相同），物理性质不同（因中子数不同而质量不同）。点明这个「相同／不同」的划分才能拿满分。

同位素与相对原子质量

同位素的存在解释了为什么许多元素的相对原子质量不是整数。例如，天然的氯是氯-35 与氯-37 的混合物，它的相对原子质量约为 35.5，一个介于两个核子数之间、更接近 35 的值，因为氯-35 是较多的那种同位素。

因此，相对原子质量就是某元素原子的平均质量，并把每种同位素各占多少考虑在内。你在这里不必做完整的加权平均计算，但要明白：相对原子质量不是整数，正是该元素以同位素混合物形式存在的一个线索，这正是考试所看重的那类联系，它也把本条标准向前连到下一章的摩尔与化学式计算。

本节定位

本条标准直接承接**物质与原子结构一章里的原子结构与亚原子粒子。请用复习笔记复习它，用例题**练习数粒子。

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快速回顾

• 质子数 Z = 质子数目（中性原子里也等于电子数）；它标定元素。
• 核子数 A = 质子 + 中子；中子 = A − Z。
• 同位素：质子数相同、核子数不同（中子不同）。
• 同位素化学性质相同，物理性质不同。