# 原子核与同位素

> CIE A-Level 化学 · 单元 2：原子结构
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u2-atomic-nucleus-and-isotopes/

本子主题涵盖原子核的基本结构、标准核素符号、同位素的定义和性质，以及根据同位素丰度数据计算相对原子质量的核心技能，该内容在考试中经常考查。

**先修:** [IGCSE 级别的基础原子结构知识](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-igcse-basic-atomic-structure/)

## 学习目标

- 描述原子核的结构和组成
- 解读核素符号，确定质子数、中子数和电子数
- 定义同位素，并比较它们的化学性质和物理性质
- 根据同位素丰度数据计算相对原子质量

## 核素结构与符号

**原子核** — 原子中心致密、带正电的核心，由质子和中子（统称为核子）构成

*例:* 一个中性碳-12原子的原子核含有6个质子和6个中子，原子核外有6个电子

| 亚原子粒子 | 相对质量 | 相对电荷 |
| --- | --- | --- |
| 质子 | 1 | +1 |
| 中子 | 1 | 0 |
| 电子 | ~1/1836 | -1 |

标准核素符号$^A_Z X$汇总了核素的关键信息：上方的数字$A$是总核子数（质子+中子），下方的数字$Z$是质子数，$X$是元素的化学符号。对于中性原子，电子数等于$Z$。

**例题:** 写出含有13个质子和14个中子的中性铝原子的完整核素符号。

1. 确定质子数$Z$（题目已给出）：
2. $$Z = 13$$
3. 核子数$A$等于质子数加中子数，计算得：
4. $$A = 13 + 14 = 27$$
5. 查找铝的化学符号：Al
6. 写出标准核素符号：
7. $$^{27}_{13}Al$$

> **考试提示:** 始终确认质子数与元素周期表中的元素匹配——出题人经常在选择题中用不匹配的Z/X作为干扰项。

## 同位素：定义与性质

**同位素** — 同一种元素的原子，质子数（质子数$Z$）相同，但中子数不同（核子数$A$不同）

*例:* 氢有三种同位素：$^1_1H$（氕），$^2_1H$（氘），和$^3_1H$（氚）

同位素的化学性质完全相同：化学性质由电子的数目和排列决定，而同一种元素的所有同位素的电子排布都是相同的。由于原子核质量不同，物理性质（质量、密度、沸点、熔点）会有所不同。

**例题:** 三个粒子组成如下：P（17质子，18中子，17电子），Q（16质子，18中子，16电子），R（17质子，20中子，17电子）。找出哪一对是同一种元素的同位素。

1. 记住同位素的质子数$Z$相同：
2. 粒子P的$Z=17$，粒子Q的$Z=16$，粒子R的$Z=17$
3. 由于P和R质子数相同，它们是同一种元素（氯）的同位素

## 相对原子质量的计算

**相对原子质量 ($A_r$)** — 元素一个原子的加权平均质量，考虑了各天然同位素的相对丰度，以碳-12原子质量恰好为12的标度测量

相对原子质量的通用公式为：

$$A_r = \frac{\sum (\text{isotopic mass} \times \text{relative abundance})}{\sum \text{relative abundance}}$$

**例题:** 溴有两种天然同位素：$^{79}Br$（丰度50.7%）和$^{81}Br$（丰度49.3%）。计算溴的相对原子质量。

1. 将每个同位素的质量乘以其百分丰度：
2. $$(79 \times 50.7) + (81 \times 49.3) = 4005.3 + 3993.3 = 7998.6$$
3. 除以百分丰度的总和（百分比数据总和为100）：
4. $$A_r = \frac{7998.6}{100} = 79.99$$
5. 最终结果：溴的$A_r$ ≈ 80.0

**概念自测**

测试你的计算能力：一份镁样品有三种同位素，数据如下：$^{24}Mg$（78.6%），$^{25}Mg$（10.1%），$^{26}Mg$（11.3%）。正确的相对原子质量是多少？

1. 计算镁的$A_r$

   - 24.00
   - 24.33
   - 25.00
   - 24.10

   *解析:* 正确：$(24×78.6)+(25×10.1)+(26×11.3) = 2432.7$，除以100得24.33

## 常见错误

- **错误做法:** 混淆核素符号中的核子数和质子数
  - 原因: 快速读取时很容易颠倒符号中数字的顺序
  - 正确做法: 记住：A（上方）= 所有核子总数，Z（下方）= 质子数
- **错误做法:** 认为同位素的化学性质不同
  - 原因: 不同质量会导致物理性质不同，但化学性质由电子决定
  - 正确做法: 同一种元素的所有同位素化学性质完全相同
- **错误做法:** 忽略丰度权重，直接计算同位素质量的简单平均值
  - 原因: 只有当所有同位素丰度相等时，简单平均值才正确，这种情况非常少见
  - 正确做法: 求和并除以总丰度前，始终要将每个质量乘以其丰度
- **错误做法:** 认为中性同位素的电子数不同
  - 原因: 对于中性原子，同位素仅中子数不同
  - 正确做法: 中性同位素的质子数和电子数相等，因此电子数相同

## 速查表

| 术语 | 关键信息 |
| --- | --- |
| 质子 | 相对质量 1，电荷 +1 |
| 中子 | 相对质量 1，电荷 0 |
| 质子数 (Z) | 质子数目，决定元素种类 |
| 核子数 (A) | 质子 + 中子总数 |
| 中子数 | $A - Z$ |
| 同位素 | Same Z, different A |
| 相对原子质量 | $\frac{\sum (\text{mass} \times \text{abundance})}{\sum \text{abundance}}$ |

## 下一步

掌握原子核与同位素知识是化学所有后续主题的基础。这些知识是电子排布学习的基础，电子排布解释了元素如何成键和反应，同时对理解质谱法也必不可少，质谱法是鉴定同位素和有机化合物的关键技术。相对原子质量计算也是所有物质的量和化学计量计算所需的核心技能，这类计算贯穿整个CIE A-Level化学大纲。本主题还介绍了后续课程中学习核化学放射性部分所需的概念。

- [电子轨道与电子排布](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u2-electron-orbitals-and-configuration/)
- [电离能](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u2-ionisation-energies/)
- [化学键](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u3-overview/)

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