閱讀:0       作者:嚴長生

原子結構:原子核、電子、質子和中子(附帶原子結構示意圖)

上節我們提到了電子,它是組成原子的一種粒子,本節我們將詳細剖析原子的內部結構。

物質由原子(Atom)構成,原子由帶負電的電子(Electron)和帶正電的原子核(Nucleus)構成,電子在各自的軌道上繞原子核旋轉。電子很輕,所以原子的絕大多數質量都集中在原子核上。

原子核又由質子(Proton)中子( Neutron)構成,質子帶正電,中子不帶電。有的原子核沒有中子,只有質子,例如,氕()是氫(H)的一種同位素,它是最輕、最常見的一種氫的存在形式,它的原子核就只有一個質子,沒有中子。

質子、中子、電子是構成原子的三種基本粒子,下圖演示了碳()原子的結構,它有 6 個質子、6 個中子和 6 個電子。


質子、中子和電子對原子的化學性質和物理性質有著不同的影響:
1) 質子的數量決定了原子屬于哪種化學元素,換句話說,如果改變質子的數量,就會改變原子所屬的元素種類。例如,你可以從鉛(Pb)原子中去掉三個質子,將鉛元素變成了金(Au)元素,從而實現“煉金”的夢想。實際上,質子很難從原子核中加入或去除,因此原子所屬的元素種類不會輕易發生變化。

2) 中子對原子的影響比質子小得多,改變中子的數量,不會改變原子所屬的元素種類。不過,改變中子數量后,原子的質量會發生輕微改變,并可能獲得某些核屬性,例如放射性。實際上,中子和質子一樣,也很難從原子核中加入或去除。

3) 與質子和中子相比,電子是非常自由的,它可以輕易地從一個軌道移動到另一個軌道(稱為“躍遷”),甚至完全脫離原子(稱為“電離”),這是因為,移動電子需要的能量遠遠小于移動質子或中子需要的能量。去除電子雖然不會改變元素的種類,但是會破壞原子的平衡。

粒子的帶電情況

電子帶有負電荷,質子帶有正電荷;電子和質子帶有異種電荷,所以會相互吸引。物體在摩擦過程中電子會發生轉移,使得一種材料裸露出負電荷,另一種材料裸露出正電荷,這就是兩種材料相互吸引的原因。

中子不帶電荷,所以不會被質子或電子吸引或排斥。

一般情況下,原子中電子的數量和質子的數量相同,所帶電荷恰好相互抵消,所以原子整體上不帶電。例如,碳(C)原子包含 6 個電子和 6 個質子。

17 世紀 80 年代,法國物理學家查爾斯·庫侖(Charles Coulomb)發明了扭秤裝置,該裝置可以測量兩個帶電物體之間的力,從而實現了對電荷的精確測量。后來,人們以庫倫的名字命名了電荷量的單位——庫倫(C)。研究發現,1單位的電荷量(1C)約等于 6.25×1018 個電子,反過來說,一個電子的電荷量約為 1.6×10-19C。

電子是目前已知的最小的帶電載體,它的帶電量被稱為基本電荷(Elementary charge)或者元電荷, 用 e 來表示,e = 1.602176565(35)×10-19C,通常取 e = 1.6×10-19C。

質子也是已知的最小帶電載體,它的的帶電量等于電子,只不過符號是相反的。

核力

同種電荷相互排斥,電子會排斥其它電子,質子也會排斥其它質子。原子核之所以會牢固、穩定的結合在一起,是因為原子核中還存在第三種力量——核力(Nuclear force)。在原子核尺度內,核力比庫侖力(質子之間的斥力)大得多,庫侖力幾乎可以忽略。

核力是一種短程力,作用范圍在 1.5×10-15m 之內。核力在大于 0.8×10-15m 時表現為吸引力,且隨距離增大而減小,超過 1.5×10-15m 時,核力急速下降幾乎消失;而在距離小于 0.8×10-15m 時,核力表現為斥力,因此核子不會融合在一起。

總結

  1. 所有的材料都是由原子組成的。
  2. 除了氫的同位素氕()以外,所有自然產生的原子都包括電子、質子和中子。
  3. 電子帶一單位的負(-)電荷。
  4. 質子帶一單位的正(+)電荷。
  5. 中子不帶電荷。
  6. 電子比質子和中子更容易從原子中分離出來。
  7. 原子的質子數決定了原子屬于哪種元素。
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