# 原子与原子核

> 物理 · CIE IGCSE 0625
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-0625-u5-the-atom-and-the-nucleus/

本指南涵盖CIE IGCSE物理0625原子与原子核主题的核心与拓展内容，包括亚原子粒子的性质、原子表示法、同位素以及核式结构模型的相关证据。

**先修:** [对元素和元素周期表有基础了解](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-0625-u1-matter-and-particles/)

## 学习目标

- 描述原子的简单结构：中心为原子核，外围是沿轨道运动的电子
- 说出质子、中子和电子的相对电荷与相对质量
- 定义核子数（质量数）和质子数（原子序数），并利用二者识别元素
- 定义同位素并解释其化学性质相同的原因
- 拓展内容要求：解释盖革-马斯登实验结果如何支持原子的核式结构模型
- 拓展内容要求：通过核素方程和定性质能变化描述核裂变与核聚变，并将原子核的相对电荷、相对质量与其质子数和核子数关联起来

## 核心内容：原子结构与亚原子粒子

**原子** — 元素能够参与化学反应的最小粒子，由中心带正电的原子核和环绕核运动的带负电的核外电子构成。

所有原子都由三种基本亚原子粒子构成：质子、中子和电子。质子和中子紧密聚集在中心的原子核内，原子核占据了原子几乎全部的质量，但体积不到原子总体积的1/10000。电子在分立的能级（电子层）中绕核运动，其运动轨道距离原子核的尺度远大于原子核自身的尺寸。

| 亚原子粒子 | 相对电荷 | 相对质量 |
| --- | --- | --- |
| 质子 | +1 | 1 |
| 中子 | 0 | 1 |
| 电子 | -1 | ~1/1840（可忽略） |

**例题:** 说明中子的相对电荷和相对质量，并指出它在原子中的位置。

1. 1. 从参考表格中回忆亚原子粒子的相关性质。
2. 2. 相对电荷：中子不带电，因此相对电荷为0。
3. 3. 相对质量：中子的质量与质子相等，因此相对质量为1。
4. 4. 位置：中子存在于原子的中心原子核内。

> **考试提示:** 在核心卷和拓展卷考试中，你都需要熟记三种亚原子粒子的相对电荷和相对质量，不要把电子可忽略的质量和质子/中子的质量混淆。

## 核心内容：原子表示法与同位素

**质子数（原子序数，Z）** — 某元素原子原子核内的质子总数，每种元素的质子数都是唯一的，决定了该元素在元素周期表中的位置。

**核子数（质量数，A）** — 原子原子核内的质子和中子（二者统称为核子）的总数。

原子呈电中性，因为带正电的质子数量与带负电的电子数量相等。同一元素的原子所含的中子数可以不同。

**同位素** — 质子数Z相同（属于同一种元素）、但中子数不同（因此核子数A不同）的原子互称为同位素。

同位素的化学性质完全相同，因为化学反应仅由电子的排布方式决定，而同一种元素的所有同位素的电子排布都是一致的。它们的物理性质可能存在差异，例如密度或放射性不同。

**例题:** 碳有两种常见同位素：碳-12和碳-14。已知碳的质子数为6，分别指出这两种同位素所含的质子、中子和电子的数量。

1. 1. 对于碳-12：质子数Z=6，因此质子数量为6。
2. 2. 原子呈电中性，因此电子数量等于质子数量，为6。
3. 3. 核子数A=12，因此中子数量=A-Z=12-6=6。
4. 4. 对于碳-14：质子数仍为6，因此质子数量为6，电子数量为6。
5. 5. 核子数为14，因此中子数量=14-6=8。

> **考试提示:** 当题目要求解释为什么同位素的化学性质相同时，必须明确指出它们的电子数相同（且电子排布方式相同），这是得分的强制采分点。

## 拓展内容专属：原子核式模型的证据

在核式模型提出之前，科学家使用的是原子的"葡萄干布丁模型"，该模型将原子描述为一个均匀分布正电荷的球体，带负电的电子像布丁里的葡萄干一样均匀散布在正电荷球体内部。盖革-马斯登实验（也称为α粒子散射实验）推翻了这一模型，为原子核式模型提供了证据。

> **info**
>
> α粒子是带正电的高能氦原子核，由2个质子和2个中子构成。

**例题:** 描述盖革-马斯登α粒子散射实验的三个核心观测结果，并分别解释每个观测结果能说明原子的什么结构特征。

1. 1. 观测1：绝大多数α粒子直接穿过金箔，没有发生偏转。结论：原子的绝大部分体积是空的。
2. 2. 观测2：少数α粒子发生了大于90度的大角度偏转。结论：原子内部存在一个体积极小、位于中心、带正电的原子核，原子的绝大部分质量都集中在原子核内。
3. 3. 观测3：极少数α粒子直接反弹回粒子源方向。结论：原子核的尺寸远小于原子的总尺寸，同时原子核的质量和正电荷密度都极高。

> **考试提示:** 回答与α粒子散射实验相关的问题时，必须将每一个观测结果和对应的结论明确关联起来，不能只罗列观测结果而不解释其证明的结构特征，否则会丢失分数。

## 仅拓展内容：原子核进阶详解——核裂变与核聚变

本节为拓展卷（试卷2/4）考生专属的补充内容，核心卷（试卷1/3）考生可跳过。

由于每个质子的相对电荷为$+1$，中子不带电，因此原子核的相对电荷等于其质子数$Z$。由于每个质子和中子的相对质量均为1（电子质量可忽略），原子核的相对质量近似等于其核子数$A$。

**核裂变** — 重的不稳定大原子核分裂为两个较小原子核的过程，通常会释放2到3个中子以及大量能量。

*例:* 典型裂变反应：铀-235原子核吸收一个中子后变得不稳定，随后发生分裂。

**例题:** 写出铀-235吸收慢中子后发生核裂变的典型核素方程，并定性描述其质量与能量变化。

1. 1. 慢中子${}^{1}_{0}\text{n}$被铀-235原子核吸收，原子核变得不稳定并分裂为两个更小的子核，同时释放更多中子。生成的子核种类不固定，常见的产物为钡和氪。
2. $${}^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \rightarrow {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$$
3. 2. 核验守恒：核子数$235 + 1 = 141 + 92 + 3$；质子数$92 + 0 = 56 + 36 + 0$，二者均守恒。
4. 3. 质量与能量（定性描述，无需数值）：裂变后的总质量略小于裂变前，这一小部分质量亏损会以能量的形式释放出来。释放出的中子可以进一步引发后续裂变，即链式反应。

**核聚变** — 两个轻原子核结合形成一个更重原子核的过程，会释放大量能量。核聚变需要极高的温度和压强条件。

*例:* 氢原子核发生聚变是太阳以及其他恒星的能量来源。

**例题:** 写出氘核与氚核（两种氢的同位素）发生核聚变的典型核素方程，并定性描述其质量与能量变化。

1. 1. 两个轻氢原子核结合，生成一个氦原子核和一个中子。
2. $${}^{2}_{1}\text{H} + {}^{3}_{1}\text{H} \rightarrow {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{1}_{0}\text{n}$$
3. 2. 核验守恒：核子数$2 + 3 = 4 + 1$；质子数$1 + 1 = 2 + 0$，二者均守恒。
4. 3. 质量与能量（定性描述，无需数值）：氦原子核与中子的总质量略小于初始两个原子核的总质量，这一小部分质量亏损会以能量的形式释放出来。

> **warning**
>
> 对于考纲0625的考试要求，你仅需掌握核素方程以及质量亏损释放能量的定性描述即可，无需计算任何能量数值，也不要求掌握$E=mc^2$相关内容。

> **考试提示:** 请牢记二者的区别：裂变是大原子核发生分裂，聚变是小原子核相互结合。二者都会通过小部分质量亏损释放能量，且对应的核素方程中核子数和质子数都必须守恒。

## 总结与核心要点

**小结**

- 所有原子都包含一个带正电的中心原子核（由质子和中子组成），核外环绕着带负电的轨道电子。
- 质子数（Z）为质子的数量；核子数（A）为质子与中子的数量之和。
- 同位素是同一种元素的原子，其中子数不同，化学性质完全相同，但物理性质存在差异。
- 仅拓展内容：盖革-马斯登α粒子散射实验为原子的核式结构模型提供了实验证据。
- 仅拓展内容：原子核的相对电荷等于其质子数Z，相对质量近似等于其核子数A。
- 仅拓展内容：核裂变将重原子核分裂为更小的原子核，核聚变将轻原子核结合在一起；二者都通过小部分质量亏损释放能量（仅需定性描述，无需数值计算）。

## 常见错误

- **错误做法:** 声称电子的质量为1，或中子带负电。
  - 原因: 混淆亚原子粒子的性质是常见错误，会直接丢失简单得分点。
  - 正确做法: 牢记三种粒子的相对电荷和相对质量参考表，定期自测巩固。
- **错误做法:** 用Z减去A计算中子数，而非A减去Z。
  - 原因: 计算时混淆核子数和质子数会得到错误结果。
  - 正确做法: 记住核子数（A）是质子和中子的总和，因此用A减去质子数（Z）即可得到中子数。
- **错误做法:** 解释同位素化学性质相同时，错误归因于质子数相同而非电子数相同。
  - 原因: 化学反应由电子排布而非质子数决定，因此这种回答无法拿到满分。
  - 正确做法: 回答该问题时必须明确说明同位素的电子数相同、电子排布一致。
- **错误做法:** 声称盖革-马斯登实验中大多数α粒子发生了偏转。
  - 原因: 夸大偏转粒子的数量会得出关于原子结构的错误结论。
  - 正确做法: 记住*大多数*α粒子直接穿过金箔，只有少数发生偏转，极少数被反弹回来。
- **错误做法:** 声称原子核内含有电子。
  - 原因: 电子在原子核外轨道运动，不存在于原子核内部。
  - 正确做法: 只有质子和中子位于原子核内，电子在原子核外围的能级壳层中运动。

## 速查表

| 概念 | 核心/拓展 | 核心要点 |
| --- | --- | --- |
| 亚原子粒子 | 核心 | 质子：+1电荷，质量1；中子：0电荷，质量1；电子：-1电荷，质量可忽略 |
| 质子数（Z） | 核心 | 质子的数量，每种元素唯一，中性原子中质子数等于电子数 |
| 核子数（A） | 核心 | 原子核内质子与中子的总数 |
| 同位素 | 核心 | Z相同，A不同；化学性质相同，物理性质不同 |
| 盖革-马斯登实验 | 拓展 | 大多数α粒子直接穿过=原子大部分是空的；少数偏转=原子核体积极小、带正电、质量极大 |
| 原子核的电荷与质量 | 拓展 | 原子核的相对电荷=质子数Z；原子核的相对质量≈核子数A |
| 核裂变 | 拓展 | 重原子核分裂为两个较小的原子核+中子；小部分质量亏损以能量形式释放（核素方程，无需数值） |
| 核聚变 | 拓展 | 轻原子核聚合为更重的原子核；小部分质量亏损以能量形式释放，是恒星的能量来源（核素方程，无需数值） |

## 下一步

在掌握原子和原子核的结构之后，你可以继续学习放射性这一CIE IGCSE物理0625核物理单元的下一个核心主题。你将运用已学的同位素知识理解为什么部分原子具有放射性，以及放射性衰变的原理。对于拓展阶段的学习者，你还将基于盖革-马斯登实验的知识进一步理解核辐射与物质的相互作用。在进入下一阶段学习前，请务必练习计算不同同位素的亚原子粒子数量，该技能是所有后续核物理主题的基础。

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