原子结构

引入

为什么不同元素化学性质不同？为什么周期表按原子序数排列，而不是质量？

原子结构理论解决了这些问题：原子的化学性质由核外电子排布决定，元素周期律的本质是电子层结构的周期性重复。

关于 Canvas

canvas 主要整理原子模型发展史（道尔顿 → 汤姆逊 → 卢瑟福 → 玻尔 → 量子力学模型），属于科学史脉络，不展开正文内容。

正文

定义

原子由原子核和核外电子组成。原子核由质子和中子组成，核外电子在核外空间按一定规律分布。

组成粒子

粒子	符号	电荷	相对质量	位置
质子	$\mathrm{p}$	$+1$	$1$	原子核
中子	$\mathrm{n}$	$0$	$1$	原子核
电子	$\mathrm{e}{}^{-}$	$-1$	$\frac{1}{1836}$	核外空间

质量数：$A=Z+N$（质子数 + 中子数）

原子序数 = 质子数 = 核外电子数（中性原子）

表示方法

元素符号左上角标质量数 $A$，左下角标原子序数 $Z$：

${}_{}^{}{}_{\mathrm{Z}}^{\mathrm{A}}\mathrm{X}$

例如：${}_{}^{}{}_{11}^{23}\mathrm{Na}$ 表示钠原子，质量数 23，质子数 11。

核外电子排布

电子不是随机分布，而是分层排布在不同电子层（能层）。

电子层：从内到外依次为 $K$、$L$、$M$、$N$、$O$、$P$、$Q$ 层，对应主量子数 $n=1,2,3,\dots$

排布规律：

1. 电子优先占据能量低的电子层（从内向外）
2. 每层最多容纳 $2n^2$ 个电子（$n$ 为电子层序号）
3. 最外层电子数不超过 8 个（$K$ 层不超过 2 个）
4. 次外层不超过 18 个，倒数第三层不超过 32 个

电子层	$K$	$L$	$M$	$N$	$O$	$P$	$Q$
$n$	1	2	3	4	5	6	7
最多容纳电子数	2	8	18	32	50	72	98

例子：

• $\mathrm{Na}$（11 号）：$K$ 层 2 个，$L$ 层 8 个，$M$ 层 1 个
• $\mathrm{Cl}$（17 号）：$K$ 层 2 个，$L$ 层 8 个，$M$ 层 7 个

最外层电子数决定化学性质：

• 最外层 8 个电子（$K$ 层 2 个）：稳定结构，不易反应（稀有气体）
• 最外层电子少：易失去电子，表现金属性
• 最外层电子多（接近 8 个）：易得到电子，表现非金属性

同位素

定义：质子数相同、中子数不同的原子互为同位素。

性质：

• 化学性质几乎相同（核外电子排布相同）
• 物理性质不同（质量不同）

例子：

• ${}_{}^{}{}_6^{12}\mathrm{C}$、${}_{}^{}{}_6^{13}\mathrm{C}$、${}_{}^{}{}_6^{14}\mathrm{C}$ 是碳的三种同位素
• ${}_{}^{}{}_1^1\mathrm{H}$（氕）、${}_{}^{}{}_1^2\mathrm{H}$（氘）、${}_{}^{}{}_1^3\mathrm{H}$（氚）是氢的三种同位素

引出

1. 为什么电子排布有这样的规律？→ 量子力学、原子轨道
2. 电子层内部还有更精细的结构吗？→ 能级、电子云
3. 原子结构如何决定元素周期律？→ 元素周期表
4. 离子的电子排布如何表示？→ 离子结构