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第五章 原子结构与元素周期性 　　在前面一至四章中，介绍并与用化学热力学、化学动力学的基础知识，从宏观角度讨论了解离、水解、沉淀和氧化还原等化学反应的方向、速率及限度问题。本章开始至第七章，依次介绍并运用了原子、分子和固体的结构知识，从微观角度讨论物质的结构及其与性质的关系。 5-1 原子和元素 　　5-1-1 原子的组成和元素 　　自1897年英国物理学家汤姆逊(J.J.Thomson)发现电子以来，经过了几十年的研究，人们已经意识到原子是一种电中性的微粒，是与一个带若干(Z)正电荷的原子核的原子核和Z个带负电荷的电子组成的；原子核是由Z个单位正电荷的质子(p)和若干个中子(n)组成的紧密结合体，其直径不及原子的万分之一；电子的直径更小。可见原子核和电子只占原子的极小部分，原子内部绝大部分是“空着的”。 　　同一元素的原子核含有相同数目的质子，但可以含有数目不同的中子。电子、质子、中子、光子以及在宇宙射线和高能原子核物理实验中发现的一系列粒子，统称为基本粒子。 元素是具有相同质子数的一类原子的总称。根据原子中质子数目的不同，可以区别为不同的元素。不同的元素在元素周期表中个占据不同的位置。不同元素的原子、质子数目由小到大排列的顺序数，称为原子序数。因此，对每一种原子来说：原子序数(Z)=核内质子数=核电荷数=核外电子数 　　质子数相同而中子数不同的同一种元素的原子，有着基本相同的化学性质，且在元素周期表中处于同一位置，故互称为同位素。具有确定中子数和质子数的单核称为核素，例如氢有三种核素，如表5-1所示。除少数几中元素外绝大多数都两种或两种以上的核素，其中锡的核素多达10种。　 表 5-1 氢的同位素 　 核素名称 核素符号 原子的组成 质量数 在自然界中的氢所占的百分数/% 质子数 中子数 氢或氕 1 0 1 ≈99.98 重氢或重氘 1 1 2 0.015 超重氢或氚 1 2 3 10-16 ① 元素符号左上角的数字表示质量数，左下角的数字表示原子序数。　　根据来源和稳定性，可将核素分为稳定核素和放射性核素。放射性核素的原子核不稳定，能放出射线而蜕变成别的元素。目前已发现的118种元素的核素已达2000种左右。 质量数相同而原子系数不同的元素，互称为异序同量素，简称同量素。 *5-1-2 反原子和反物质 　　1932年美国物理学家安德森(C.D.Anderson)在宇宙线实验中发现了与电子质量相同带单位正电荷的粒子——正电子(e+)；1956年美国物理学家张伯伦(O.Chamberlain)等在加速器实验中发现了质量与正质子(p+)相同带单位负电荷的粒子——负质子(p-)。以后又陆续发现了许多类似的情况，证实一切粒子都有与之相对应的反粒子① 。例如中子不带电但一定有磁性，反中子则呈相反的磁性。 ①　反粒子的概念最初数英国物理学家狄拉克(P.M.A.Dirac)提出来的。 　　据报道，欧洲核子研究中心的德国和意大利科学家从1995年9月开始的实验，已经成功的获得了反氢原子(有一个反质子p-和一个反电子e+结合而成)，亦即获得了反物质。尽管这种反氢原子只能存在极短瞬间，但这项实验不仅为系统的探索反物质世界打开了大门，而且为自然辩证法提供了极为有利的佐证，具有重大的理论和实际意义。 5-1-3 原子轨道能级 　　1913年玻尔在前人工作的基础上提出了玻尔原子模型，其要点如下： 　　1. 定态轨道概念 　　氢原子中的电子是在氢原子核的势能场中运动，其运动轨道不是任意的，电子只能在以原子核为中心的某些能量(En)确定的圆形轨道上运动。这些轨道的能量状态不随时间而改变，因此被称为定态轨道。电子在定态轨道上运动时，既不吸收也不释放能量。 　　2. 轨道能级的概念 (1) 最简单的原子──氢原子的光谱 　　(2) 轨道能级的概念 不同的定态轨道能量是不同的。离核越近的轨道，能量越低，电子被原子核束缚得越牢；离核越远的轨道，能量越高。轨道的这些能量状态，称为能级。氢原子轨道能级如图5-1所示。 n = 1 的轨道离原子核最近、能量最低。　　n 1 的轨道随着n 值的增大，逐渐远离原子核，能量升高。　　轨道的这些能量状态，称为能级。 　　在正常状态下，电子尽可能处于离核较近、能量较低的轨道上，这时原子所处的状态称为基态。　　在高温火焰下，电火花或电弧作用下，基态原子中的电子因获得能量，能跃迁到离核较远、能量较高的空轨道上去运动，这时原子所处的状态称为激发态。　　n → ∞ 时，电子所处的轨道能量定为零，意味着电子被激发到这样的能级时，由于获得足够大的能量，可以完全摆脱核势能场的束缚而电离。因此，离核越近的轨道，能级越低，势能值越负。 　　(3) 基态与激发态 　　在正常状态下，电子尽可能处于离