原子结构

物理· Unit 11: Particle Physics, Topic 1· 15 分钟阅读

1. 1. 卢瑟福散射实验与核式结构模型★★☆☆☆⏱ 5 min

在卢瑟福的著名实验之前，被广泛接受的原子模型是J.J.汤姆逊的葡萄干面包模型，该模型认为负电子均匀镶嵌在带正电的均匀球体中。

📘 定义

葡萄干面包模型

早期原子模型，认为负电子均匀分布在带正电的均匀球体中

卢瑟福、盖革和马斯登用带正电的α粒子轰击薄金箔，对该模型进行了检验。大多数α粒子穿过金箔时没有发生偏转，但极小部分的偏转角大于90°，这是葡萄干面包模型无法解释的。

📐 例题

说出卢瑟福实验得到的三个结论，并将每个结论与对应的观察结果关联起来。

1
观察1：大多数α粒子直接穿过金箔。结论1：
2
原子的大部分空间是空旷的，质量集中在中心的小区域内。
3
观察2：部分α粒子发生小角度偏转。结论2：
4
中心原子核带正电，会排斥带正电的α粒子。
5
观察3：极少数α粒子的偏转角大于90°。结论3：
6
原子几乎全部的质量都集中在一个非常小、密度很大的中心原子核中。

Exam tip:

永远不要混淆观察结果和结论——考官非常喜欢考察这个区分点。

2. 2. 核符号与核心术语★☆☆☆☆⏱ 3 min

所有原子核都由核子（质子和中子）构成。我们使用标准符号描述任意核素，符号包含两个关键数值：质子数(Z)和核子数(A)。

📘 定义

核素

^A_Z \text{X}

由质子数和核子数定义的特定原子种类

例:

碳-12的写法为 $_{16}^{12} C$

质子数 (Z)： 原子核内的质子数量，等于原子核的正电荷数
核子数 (A)： 原子核内质子和中子的总数
中子数： $N = A - Z$ ，原子核内的中子数量
同位素： 同一种元素（质子数Z相同）但中子数N/核子数A不同的核素

📐 例题

中性 $_{192}^{238} U$ 原子中有多少个质子、中子和电子？

1
质子数 $Z = 92$ ，因此有92个质子。
2
对于中性原子，电子数等于质子数，因此有92个电子。
3
计算中子数：
4
$N = A - Z = 238 - 92 = 146$
5
最终答案：92个质子，92个电子，146个中子。

3. 3. 原子核的大小与密度★★★☆☆⏱ 4 min

实验证实，核半径与核子数满足简单的正比关系：

R = R_0 A^{1/3}

其中 $R_{0} \approx 1.2 \times 1 0^{- 15} m = 1.2 fm$ （飞米）。这个关系推导得出一个非常有用的性质：无论原子核大小如何，所有原子核的密度都近似相等。

📐 例题

已知 $R_{0} = 1.2$ 飞米，计算氧-16原子核的半径。

1
氧-16的核子数 $A = 16$ 。
2
代入公式：
3
$R = 1.2 \times (16)^{1/3}$
4
计算得 $(16)^{1/3} \approx 2.5198$
5
最终结果： $R \approx 1.2 \times 2.52 = 3.02$ 飞米，即 $3.02 \times 1 0^{- 15}$ 米。

4. 4. 同位素的性质★★☆☆☆⏱ 3 min

同一种元素的同位素具有完全相同的化学性质，但物理性质和核性质不同。这是因为化学反应取决于电子的数量和排布，而电子的数量和排布由质子数决定，同一种元素的所有同位素质子数都相同。

中子数的不同改变了同位素的质量和核稳定性，因此它们具有不同的物理性质（如密度、沸点）和核行为（如放射性）。

📐 例题

说出 $_{8}^{16} O$ 和 $_{8}^{18} O$ 之间的一个相同点和一个不同点。

1
相同点：中性状态下两者都有8个质子和8个电子，因此化学性质完全相同。
2
不同点： $_{8}^{16} O$ 有8个中子， $_{8}^{18} O$ 有10个中子。它们的质量不同，核稳定性也不同。

5. 常见陷阱

错误做法:

混淆卢瑟福散射实验的观察结果和结论

原因:

学生通常会直接写出观察到的现象，而不是从结果推导得出的结论

正确做法:

考试答题时一定要将每个观察结果和对应的结论直接关联

错误做法:

将中子数计算为 $Z - A$ 而非 $A - Z$

原因:

做减法时混淆了质子数和核子数的顺序

正确做法:

记住：中子数 = 总核子数减质子数 = $A - Z$

错误做法:

认为同位素的化学性质不同

原因:

混淆了核性质/物理性质与依赖电子排布的化学性质

正确做法:

同一种元素的同位素化学性质完全相同，仅质量和核稳定性不同

错误做法:

忘记中性原子的电子数等于质子数Z

原因:

没有读题就默认所有原子都是离子

正确做法:

只有带电离子才需要调整电子数；中性原子的电子数 = Z

6. 速查表

术语	符号/公式	含义
质子数	$Z$	原子核内的质子数量
核子数	$A$	质子+中子的总数
中子数	$N = A - Z$	原子核内的中子数量
核素符号	$_{Z}^{A} X$	核素的标准表示方法
核半径	$R = R_{0} A^{1/3}$	$R_{0} = 1.2$ 飞米
同位素	Same $Z$ , different $A$	同一种元素，中子数不同

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

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下一步

理解原子结构和核性质是CIE A-Level AS阶段所有后续粒子物理和核物理主题的核心基础。现在你已经掌握了基本结构、核素符号和卢瑟福散射实验的核心实验证据，接下来可以学习核子的组成和基本粒子的分类了。这些知识对后续放射性衰变、核裂变和核聚变等主题也至关重要，在这些主题中你需要运用核素符号的知识配平衰变方程，计算核心核性质。