学习指南

原子结构

IB 物理 SL· 45 分钟阅读

1. 原子基本结构★★☆☆☆⏱ 10 min

📘 定义

原子

保持元素所有化学性质的最小电中性单元，由体积很小、密度很高的带正电原子核，以及核外带负电的电子云构成。

例:

一个中性碳原子含有6个质子和6个电子。

原子的绝大部分空间是真空。原子核直径约为，而整个原子直径约为。原子核包含两种核子：带正电的质子和不带电的中子。

📐 例题

假设原子和原子核均为球体，估算整个原子体积与原子核体积的比值。

  1. 1

    使用标准近似半径：

  2. 2
    ratom≈10−10 m,rnucleus≈10−15 mr_{\text{atom}} \approx 10^{-10}\ \text{m}, \quad r_{\text{nucleus}} \approx 10^{-15}\ \text{m}
  3. 3

    球体体积与成正比，因此比值可简化为：

  4. 4
    VatomVnucleus=(ratomrnucleus)3\frac{V_{\text{atom}}}{V_{\text{nucleus}}} = \left(\frac{r_{\text{atom}}}{r_{\text{nucleus}}}\right)^3
  5. 5

    代入数值得到结果：

  6. 6
    (10−1010−15)3=(105)3=1015\left(\frac{10^{-10}}{10^{-15}}\right)^3 = (10^5)^3 = 10^{15}
  7. 7

    这证实了原子大部分是真空，原子核仅占总体积的。

2. 核符号表示与核素性质★★☆☆☆⏱ 15 min

📘 定义

核素符号表示

ZAX^A_Z X

核素的标准表示方法：其中 = 核子总数（质量数）， = 质子数（原子序数）， 是元素的化学符号。

任意核素的中子数计算公式为 。质子数决定元素种类：同种元素的所有原子，值一定相同。中性原子中，带负电的电子数等于带正电的质子数，因此净电荷为零。

📐 例题

写出中性原子中质子、中子和电子的数目。

  1. 1

    从符号表示中提取和：，

  2. 2

    质子数 = = 92。中性原子中电子数等于质子数，因此电子数为92。

  3. 3

    中子数按计算：

  4. 4
    N=238−92=146N = 238 - 92 = 146
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测试你对核符号表示的理解：

  1. 中有多少个中子？

    • 17

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    20 —

    正确！。

3. 同位素与比荷计算★★★☆☆⏱ 20 min

📘 定义

同位素

同种元素（相同）的核素，质量数不同，因此中子数不同。同位素的化学性质相同（由电子排布决定），但核性质不同。

例:

氢有三种天然同位素：（氕）、（氘）、（氚）

📘 定义

比荷

粒子总电荷量的大小与总质量的比值，原子核的比荷单位通常为。

质子质量和中子质量近似相等（），质子电荷量为，中子不带电。计算原子核的比荷时，我们只计入核子的质量和电荷量，不包括核外绕转的电子。

📐 例题

计算原子核的比荷，结果保留三位有效数字。

  1. 1

    计算原子核总电荷量：，因此：

  2. 2
    Q=8e=8×1.60×10−19=1.28×10−18 CQ = 8e = 8 \times 1.60 \times 10^{-19} = 1.28 \times 10^{-18}\ \text{C}
  3. 3

    计算原子核总质量：，因此：

  4. 4
    M=16×1.67×10−27=2.672×10−26 kgM = 16 \times 1.67 \times 10^{-27} = 2.672 \times 10^{-26}\ \text{kg}
  5. 5

    按计算比荷：

  6. 6
    Specific charge=1.28×10−182.672×10−26≈4.79×107 C kg−1\text{Specific charge} = \frac{1.28 \times 10^{-18}}{2.672 \times 10^{-26}} \approx 4.79 \times 10^7\ \text{C kg}^{-1}

4. 常见陷阱

错误做法:

中性原子中，错误地将电子数计为质量数，而非原子序数

原因:

混淆了质量数和原子序数的含义

正确做法:

中性原子中，质子数和电子数始终用计算，中子数按计算

错误做法:

计算原子核比荷时计入电子质量

原因:

误读题目，不清楚题目要求的是整个原子还是原子核的比荷

正确做法:

计算原子核比荷时，仅计入质子和中子的质量

错误做法:

认为同种元素的同位素化学性质不同

原因:

混淆了化学性质（由电子决定）和核性质

正确做法:

同位素的化学性质相同，核性质不同

错误做法:

核符号书写中将写在下方，写在上方

原因:

混淆了质量数和原子序数的位置

正确做法:

记住：质量数始终写在上方，写在下方

错误做法:

给负离子/原子核标注负的比荷

原因:

忘记比荷的定义使用电荷量的大小

正确做法:

无论总电荷符号如何，比荷始终报告为正值

5. 速查表

性质

符号/规则

说明

质子数（原子序数）

决定元素种类，等于质子数目

核子数（质量数）

质子与中子的总数

中子数

中性原子中的电子数

比荷

单位：C kg⁻¹，计算原子核比荷仅计入核子

同位素

Same , different

化学性质相同

标准表示法

（质量数）在上，（原子序数）在下

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。

  • 2022 · 1

    同位素识别选择题

  • 2023 · 2

    计算原子核的比荷

下一步

原子结构是本单元所有核物理与量子物理主题的基础概念。从放射性衰变到核裂变与核聚变，几乎所有后续核主题都要求掌握核素符号表示和比荷计算。接下来，你将在此核心知识的基础上，学习卢瑟福金箔实验如何证实原子的核式结构模型，之后再学习放射性衰变过程和核反应。你在此学到的同位素区分，对于理解核物理中的半衰期和能量计算也至关重要。