原子与原子核

物理· 5.1.1, 5.1.2 (2026-2028 syllabus)· 15 分钟阅读

1. 核心内容：原子结构与亚原子粒子★★☆☆☆⏱ 4 min

📘 定义

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
1. 相对电荷：中子不带电，因此相对电荷为0。
3
1. 相对质量：中子的质量与质子相等，因此相对质量为1。
4
1. 位置：中子存在于原子的中心原子核内。

Exam tip:

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。

2. 核心内容：原子表示法与同位素★★☆☆☆⏱ 4 min

📘 定义

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。

📘 定义

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。

📘 定义

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
1. 原子呈电中性，因此电子数量等于质子数量，为6。
3
1. 核子数A=12，因此中子数量=A-Z=12-6=6。
4
1. 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
1. 核子数为14，因此中子数量=14-6=8。

Exam tip:

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。

3. 拓展内容专属：原子核式模型的证据★★★☆☆Extended 专属⏱ 4 min

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。

📐 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
1. 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
1. 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。

Exam tip:

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。

4. 仅拓展内容：原子核进阶详解——核裂变与核聚变★★★★☆Extended 专属⏱ 6 min

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 $A$ 。

📘 定义

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 $_{0}^{1} n$ 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
1. 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
1. 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。

📘 定义

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
1. 核验守恒：核子数 $2 + 3 = 4 + 1$ ；质子数 $1 + 1 = 2 + 0$ ，二者均守恒。
4
1. 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。

Exam tip:

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。

5. 总结与核心要点★☆☆☆☆⏱ 2 min

6. 常见陷阱

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。

7. 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）

8. 常见问题

核子数和质子数的区别是什么？

质子数（Z）是原子核内的质子总数，每种元素的质子数唯一。核子数（A）是原子核内质子与中子的总数。

为什么同位素的化学性质完全相同？

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质子数和电子数都相同，因此电子排布完全一致。

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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。