电子、质子和中子
万物都由原子构成。很长时间里，人们以为原子是不能再分的。后来科学家发现原子里面还有更小的粒子。
- 电子 (e⁻)：1897 年由汤姆孙发现。电荷 −1。非常轻，质量约为质子的 1/1836。它在原子核外运动。
- 质子 (p⁺)：通过研究阳极射线（戈德斯坦，1886 年）发现。电荷 +1。质量约 1 u。
- 中子 (n)：1932 年由查德威克发现。不带电。质量约 1 u，比质子稍大一点。除了普通的氢，所有原子都有中子。
原子中质子数等于电子数。正负电荷互相抵消，所以整个原子不带电（呈电中性）。
原子模型：汤姆孙、卢瑟福和玻尔
汤姆孙模型
汤姆孙认为原子是一个带正电的球，电子嵌在里面，就像西瓜里的瓜子。正电荷和负电荷一样多，所以原子呈电中性。问题：它解释不了卢瑟福的实验结果。
卢瑟福的 α 粒子实验
卢瑟福用高速的 α 粒子（氦核，电荷 +2）轰击很薄的金箔。他看到三种现象：
- 大多数 α 粒子直接穿过。说明原子的大部分是空的。
- 有些粒子发生小角度偏转。说明原子里有带正电的部分在推开它们。
- 极少数（约一万两千个中有 1 个）被直接弹回。说明全部的正电荷和几乎全部的质量都集中在一个很小的中心，也就是原子核。
他的模型：一个很小的带正电的原子核，电子像行星绕太阳一样绕着它转。原子核比整个原子小约 100,000 倍。问题：带电粒子做圆周运动会不断损失能量，最后掉进原子核里，那原子就不稳定了。可是原子是稳定的。
玻尔模型
尼尔斯·玻尔解决了这个问题。他说电子只能在某些固定的轨道上运动，这些轨道叫电子层或能级。电子在某一层上运动时不会损失能量。电子层从里向外叫 K、L、M、N（也就是 n = 1, 2, 3, 4）。
K、L、M、N 电子层：电子怎样排列
前 20 号元素的排布规则（玻尔-伯里规则）：
- 第 n 层最多能容纳 2n² 个电子：K 层 (n=1) = 2，L 层 (n=2) = 8，M 层 (n=3) = 18，N 层 (n=4) = 32。
- 最外层最多不能超过 8 个电子。
- 先排里面的层。前一层排满之后，才开始排下一层（对前 20 号元素来说）。
例子：碳 (6) = 2, 4。钠 (11) = 2, 8, 1。氯 (17) = 2, 8, 7。钙 (20) = 2, 8, 8, 2。打开 3D 的第 4 步，看钠的电子层怎样一层一层排满。
化合价、原子序数和质量数
化合价
最外层的电子叫价电子。原子喜欢让最外层是满的（8 个，氦是 2 个），这叫八隅体（八电子稳定结构）。最外层已满的原子，比如氖和氩，不发生反应，所以它们的化合价是 0。
化合价 = 原子的结合能力 = 原子为了让最外层变满，需要失去、得到或共用的电子数。
- 最外层电子是 1 到 4 个：化合价 = 最外层电子数。钠 (2, 8, 1) → 1。镁 (2, 8, 2) → 2。
- 最外层电子是 5 到 7 个：化合价 = 8 − 最外层电子数。氧 (2, 6) → 8 − 6 = 2。氯 (2, 8, 7) → 1。
原子序数 (Z)
原子核里的质子数。它决定是哪种元素。每个碳原子的 Z 都是 6。电中性的原子中，电子数 = Z。
质量数 (A)
质子和中子合称核子。质量数 = 质子数 + 中子数。所以中子数 = A − Z。我们把原子写成 ₆¹²C：A 在上面，Z 在下面。
同位素和同量异位素
同位素
同一种元素（Z 相同）的原子，但质量数不同（中子数不同）。氢有三种：氕 ¹H（0 个中子）、氘 ²H（1 个中子）、氚 ³H（2 个中子）。氯有 ³⁵Cl 和 ³⁷Cl。
同位素的电子数相同，所以它们的化学性质相同。它们的质量不同，所以有些物理性质不同。
为什么氯的质量是 35.5 u？自然界中，每 4 个氯原子里约有 3 个是 ³⁵Cl，1 个是 ³⁷Cl。平均值 = 35 × 3/4 + 37 × 1/4 = 26.25 + 9.25 = 35.5 u。
用途：铀-235 作核反应堆的燃料，钴-60 治疗癌症，碘-131 治疗甲状腺肿大，碳-14 测定古老物品的年代。
同量异位素
不同元素（Z 不同）的原子，但质量数相同。例子：⁴⁰₁₈Ar 和 ⁴⁰₂₀Ca。它们的电子数不同，所以化学性质不同。
动手试试：在家搭一个原子
准备三种颜色的小东西：红色珠子（质子）、黑色豌豆（中子）和黄色谷粒（电子）。在纸上画三个圆圈，代表 K、L、M 层。
- 选一种元素，比如氧：Z = 8，A = 16。
- 中间放 8 颗红珠子和 16 − 8 = 8 颗黑豌豆。
- 把 8 颗黄谷粒放到圆圈上：K 层 2 颗，L 层 6 颗。
- 预测化合价（8 − 6 = 2）。然后在 3D 里检查：最后一步，选氧-16。
接着再多放 2 颗黑豌豆。你就做出了一个同位素！元素没有变，因为红珠子的数量没变。
重点公式和概念
- 原子序数 Z = 质子数 = 电子数（电中性原子）
- 质量数 A = 质子数 + 中子数
- 中子数 = A − Z
- 第 n 层最多容纳的电子数 = 2n²（K 2, L 8, M 18, N 32）
- 化合价 = 最外层电子数（1–4 个时）或 8 − 最外层电子数（5–7 个时）
- 平均原子质量 = 各同位素（质量 × 所占比例）之和
例题讲解
1. 一个原子有 9 个质子和 10 个中子。求 Z、A 和电子数。
第 1 步：Z = 质子数 = 9。第 2 步：A = 9 + 10 = 19。第 3 步：原子呈电中性，所以电子数 = 9。这是氟。
2. 写出氧 (Z = 8) 的电子排布，并求它的化合价。
第 1 步：K 层排 2 个，剩下 6 个。第 2 步：L 层排 6 个。所以是 2, 6。第 3 步：最外层电子数 = 6，大于 4。化合价 = 8 − 6 = 2。
3. 镁的 Z = 12，A = 24。求中子数、电子排布和化合价。
中子数 = 24 − 12 = 12。电子排布：K 2, L 8, M 2 → 2, 8, 2。最外层电子数 = 2，所以化合价 = 2。
4. 氯的 Z = 17。为什么它的化合价是 1 而不是 7？
电子排布是 2, 8, 7。它只差 1 个电子就能凑成 8 个。得到 1 个电子比失去 7 个容易，所以化合价 = 8 − 7 = 1。
5. 下面哪一对是同位素，哪一对是同量异位素？¹²₆C、¹⁴₆C、⁴⁰₁₈Ar、⁴⁰₂₀Ca。
¹²C 和 ¹⁴C：Z 相同 (6)，A 不同 → 同位素。⁴⁰Ar 和 ⁴⁰Ca：A 相同 (40)，Z 不同 → 同量异位素。
6. 元素 X 有两种同位素：¹⁶X (90%) 和 ¹⁸X (10%)。求它的平均原子质量。
平均值 = 16 × 0.90 + 18 × 0.10 = 14.4 + 1.8 = 16.2 u。
7. 在卢瑟福的实验中，为什么极少数 α 粒子被弹回来？
只有非常靠近那个很小的原子核的 α 粒子，才会受到核的正电荷的强烈推斥。原子核太小了，所以很少有粒子能靠得那么近。因此被弹回的粒子极少。
常见错误
- 把原子序数和质量数弄混。Z 只数质子；A 数质子和中子。
- 把氯的化合价写成 7。最外层电子是 5 到 7 个时，化合价 = 8 − 最外层电子数。
- 以为同位素的质子数不同。同位素只是中子数不同；同量异位素才是质子数不同。
- 给钾的 M 层排 18 个电子。对前 20 号元素来说，最外层最多 8 个，所以钾是 2, 8, 8, 1。