初中科學/17.2 原子的構造

17.1 認識分子

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17.3 元素與元素周期表

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蔗糖分子結構圖

前面我們提到，10g蔗糖對半分下去，直到分成一個個的蔗糖分子，它都還是蔗糖，都能保持蔗糖原本的性質。那麼分子還能再分嗎？如果分子再分下去，那還叫蔗糖嗎？分子之內，又會有怎樣的一個廣闊的世界呢？

	這節課你將學到：
原子是什麼？ 原子是由什麼構成的？ 什麼是相對原子質量？

構成物質的微粒——原子

上節課我們已經知道，分子是構成物質的一種微粒，通過這節課的學習，我們要知道，原子（Atom）也是構成物質的一種微粒。

原子既可以直接構成物質，比如金和氦都是由原子直接構成的，構成它們的原子分別叫金原子和氦原子。此外分子還都是由原子構成的，比如一個水分子含2個氫原子和1個氧原子。原子非常小，一粒人肉眼剛能看到的最小灰塵，其中也包括了大約10¹⁵個微小的原子！

原子是化學反應中的最小單位，化學反應的實質就是原子的分離與重組。舉例：在「過氧化氫 → 水 + 氧氣」這個反應中，每2個過氧化氫分子（共含4個氧原子、4個氫原子）重組，其中4個氫原子和2個氧原子組成2個水分子（各含2個氫原子、1個氧原子），剩餘2個氧原子組成1個氧氣分子（含2個氧原子）。

提出近代原子論的科學家是約翰·道爾頓（John Dalton）。

原子的構成

原子一詞，在希臘語中的原意就是「不可分割」，那麼原子真的不可分割嗎？

我們知道，有些物質會帶電，我們稱之為帶電荷（electric charge），電荷又分為正電荷和負電荷兩種。1897年，英國物理學家約瑟夫·湯姆孫（Joseph Thomson），突破性地從陰極射線中，發現了一種帶負電荷的粒子，這種粒子名叫電子（Electron）。科學家們證明，電子是原子的一部分。

湯姆孫的原子棗糕模型

盧瑟福的原子太陽系模型，這裡是鋰（Li）原子，中央是原子核，有質子和中子，外圍是環繞的電子。

但是，由於電子帶負電，而整個原子對外不顯電性，那麼原子中一定還有帶正電的部分與之相互抵消。湯姆孫提出了棗糕模型。他認為整個原子就像一個棗糕，其中帶正電的就是糕，而帶負電的電子就像棗一樣鑲嵌其中。

但在1909年，紐西蘭物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）同他的學生做了一個實驗。用一種叫α粒子的粒子轟擊一片薄金箔，他發現大部分的粒子都能通過金箔，只有極少數會被彈開。如果原子結構正如棗糕模型，正負電荷均勻分布，應該大部分粒子都被彈開才是。由此他認為原子中的正電荷部分一定體積極小，但是卻佔有了整個原子的大部分質量。由此他提出了一個類似太陽系的原子模型叫太陽系模型——帶正電的原子核像太陽在中心，帶負電的電子像行星繞著太陽旋轉。

由二個上夸克及一個下夸克所構成的質子。

盧瑟福發現原子核中有一種帶正電的質子（Proton）。後來英國物理學家詹姆斯·查德威克（James Chadwick）還發現了原子核中有一種不帶電的中子（neutron）。每個電子帶1個負電荷，每個質子帶1個正電荷，一般原子中電子和質子數量相等，因此正負電荷抵消，原子對外不顯電性。

經過科學家們的研究，質子和中子又是由更小的微粒夸克（quark）構成的。人類對於微觀世界的探索，永遠沒有窮盡。

相對原子質量

我們知道，原子很小很小，一個氫原子質量大約為1.67×10^-27 kg。不同的原子質量也有所不同。但是原子質量如此小，書寫及使用都不方便。於是，人們使用了另一種表示原子質量的方法——相對原子質量（atomic mass），又叫原子量，符號為$A_{r}$，單位為1。

人們以一種碳原子（叫碳-12）質量的1/12作為標準，以其他原子質量與其比較所得到的比作為這種原子的相對原子質量，這種碳原子含有6個質子與6個中子，其質量的1/12等於1.6×10^-27 kg。按這個標準，氫原子的相對原子質量約為1。

和質子、中子相比，電子質量很小。因此，原子的質量主要集中在原子核上。質子和中子的質量均約等於相對原子質量標準。相對原子質量是化學計算中十分常用的數據，可從書後附錄中查到。

課後自主學習

1. 查找資料，寫一篇《微觀世界漫遊記》。
2. 氧原子的質量大約是2.657×10^-26 kg，計算其相對原子質量。
3. 以道爾頓的原子理論為依據，你怎樣解釋純物質的每個樣品都具有相同的性質？