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原子结构、核素、同位素、相对原子量

人类很早就开始观察、利用和改造自然界中形形色色的物质，也在不断探究物质的性质并尝试寻找其变化规律。随着科技的发展和进步，人们开始深入思索物质是怎样构成的。历史上，形成了不少有关物质构成的观点和理论。在本节中，我们将会了解先哲的观点，体验一段探索物质结构奥秘的历程。

## 原子的构成
按照现代原子结构理论，原子是由位于原子中心的原子核和核外电子构成的。原子很小，原子核更小。原子核是由带正电荷的质子和不带电荷的中子构成，每个质子带1个单位正电荷，所以原子核的电荷数等于其核内的质子数

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 原子整体显电中性，原子核所带正电荷的电量一定等于核外电子所带负电荷的总电量。因此，对一个原子而言：

**原子序数=核电荷数=质子数=核外电子数**

电子的质量很小，相对于质子、中子的质量而言，可以忽略不计，因此原子的质量主要集中在原子核上。原子核中质子数（Z）和中子数（N）之和，称为质量数，用符号A表示。

**质量数（A）=质子数（Z） + 中子数（N)**

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## 核素
我们知道，元素是具有相同核电荷数的原子的总称。也就是说，同种元素原子的质子数相同，那么其中子数是否也相同呢？
科学家发现自然界中有三种不同的氢原子，这三种氢原子都含有1个质子，但它们所含的中子数都不相同。

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 人们把具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子称为核素，例如，${ }_1^1 \mathrm{H} 、{ }_1^2 \mathrm{H}$ 和 ${ }_1^3 \mathrm{H}$ 就各为一种核素。质子数相同而中子数不同的同种元素的不同核素互称为同位素，例如，${ }_1^1 \mathrm{H} 、{ }_1^2 \mathrm{H}$ 和 ${ }_1^3 \mathrm{H}$ 互为同位素。许多元素都有同位素。例如，碳元素有 ${ }_6^{12} \mathrm{C} 、{ }_6^{13} \mathrm{C}$ 和 ${ }_6^{14} \mathrm{C}$ 等核素；氧元素有 ${ }_8^{16} \mathrm{O} 、{ }_8^{17} \mathrm{O}$ 和 ${ }_8^{18} \mathrm{O}$ 等核素；铁元素有 ${ }_{26}^{54} \mathrm{Fe} 、{ }_{26}^{56} \mathrm{Fe} 、{ }_{26}^{57} \mathrm{Fe}$ 和 ${ }_{26}^{58} \mathrm{Fe}$ 等核素；铀元素有 ${ }_{92}^{234} \mathrm{U} 、{ }_{92}^{235} \mathrm{U}$ 和 ${ }_{92}^{238} \mathrm{U}$ 等核素。
 
#### 原子序数是元素分类的依据
门捷列夫设计的元素周期表是将元素按其原子量的大小依次排序，但会出现某些元素被归入不同性质元素一族的情况。例如，碲（原子序数为52）的原子量为128，而碘（原子序数为53）的原子量为127。若按原子量的大小排序，碲应该排到碘的后面，但是与氯性质相似的是碘元素。尽管门捷列夫在元素周期表中还是将碘排在了碲之后，并且坚信自己的判断，但这种原子量倒置的现象却让门捷列夫十分不解和苦恼。
直至科学家揭开原子结构的奥秘，人们才知道元素的本质区别在于核电荷数或质子数，而非原子量

**同位素分为稳定同位素和放射性同位素**。放射性同位素在工农业生产、科学研究、医学等领域有着重要的应用。例如，放射性同位素放射出的射线，可用于金属制品缺陷探测、食物保鲜、辐射育种、肿瘤诊断治疗和探究反应机理等方面。

同一元素的各种核素虽然质量数不同，但它们的化学性质几乎完全相同。在天然存在的某种元素里，不论是游离态还是化合态，各种核素所占的丰度一般是不变的

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#### 放射化学
放射化学是研究放射性物质、与原子核转变过程相关的化学问题的化学分支学科，它的研究对象本身会含有放射性物质，或是进行研究而人为加入放射性物质。放射化学具有以下特点：很高的灵敏度，可测几百个乃至几个原子的质量，如10—23 kg；利用放射性示踪研究化学反应的历程等。放射化学诞生于19世纪末法国科学家居里夫妇发现钋、镭的年代，随着1942年第一座核反应堆的建成，它与原子核物理一起走进人类合理利用核能的时代。放射化学也为我国研制原子弹、建设核电站等做出了重大贡献

## 相对原子质量
由于原子的实际质量非常小，如果用＂千克＂作单位来描述原子的质量，所得的数值极小，会给使用带来不便。在化学中，我们常用相对原子质量进行描述。**相对原子质量是指以一个 ${ }_6^{12} \mathrm{C}$ 原子质量的 $\frac{1}{12}$ 作为标准**，任何一个原子的真实质量与这个标准之间的比值，称为该原子的**相对原子质量**。

例如，一个 ${ }_6^{12} \mathrm{C}$ 的质量约为 $1.993 \times 10^{-26} \mathrm{~kg}$ ，一个 ${ }_8^{16} \mathrm{O}$ 的质量约为 $2.656 \times 10^{-26} \mathrm{~kg}$ ，则该氧原子的相对原子质量是：

$$
\frac{2.656 \times 10^{-26} \mathrm{~kg}}{1.993 \times 10^{-26} \mathrm{~kg} \times \frac{1}{12}} \approx 15.992
$$

元素的相对原子质量，就是它的各种核素的**相对原子质量**，按各种核素的丰度而取的平均值。元素周期表中列出的就是元素的相对原子质量。

$$
\bar{A}=A_1 \cdot a_1 \%+A_2 \cdot a_2 \%+\cdots \cdots+A_n \cdot a_n \%
$$

式中， $\bar{A}$ 表示元素的相对原子质量，$A_1 、 A_2 、 \cdots \cdots 、 A_n$表示该元素各种核素的相对原子质量，$a_1 \% 、 a_2 \% 、 \cdots \cdots$ 、 $a_n \%$ 表示各种核素的丰度。根据核素的质量数，也可以算出元素的近似相对原子质量。

`例`氯元素有 ${ }_{17}^{35} \mathrm{Cl}$ 和 ${ }_{17}^{37} \mathrm{Cl}$ 两种核素，它们的相对原子质量及丰度如表所示。
 ![图片](/uploads/2025-10/619e3b.jpg)
 
 （1）说出氯元素的两种核素 ${ }_{17}^{35} \mathrm{Cl} 、{ }_{17}^{37} \mathrm{Cl}$ 互为何种关系。
（2）列式计算氯元素的相对原子质量。

解（1）核素 ${ }_{17}^{35} \mathrm{Cl}$ 和 ${ }_{17}^{37} \mathrm{Cl}$ 的质子数都是 17 ，只是它们的中子数不同，分别为 18 和 20 ，所以 ${ }_{17}^{35} \mathrm{Cl}$ 和 ${ }_{17}^{37} \mathrm{Cl}$ 互称同位素。
（2）根据元素相对原子质量的定义，可知氯元素的相对原子质量应为 ${ }_{17}^{35} \mathrm{Cl} 、{ }_{17}^{37} \mathrm{Cl}$ 两种核素的相对原子质量按其丰度而得的加权平均值，即：

$$
\begin{aligned}
\text { 氯元素的相对原子质量 } & =34.969 \times 75.77 \%+36.966 \times 24.23 \% \\
& =35.453
\end{aligned}
$$

## 化学史话

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其他版本
【高中物理】原子结构图【高中物理】原子的核式结构模型

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