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初中科学/17.2 原子的构造

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前面我们提到，10g蔗糖对半分下去，直到分成一个个的蔗糖分子，它都还是蔗糖，都能保持蔗糖原本的性质。那么分子还能再分吗？如果分子再分下去，那还叫蔗糖吗？分子之内，又会有怎样的一个广阔的世界呢？

蔗糖分子结构图


这节课你将学到：
  1. 原子是什么？
  2. 原子是由什么构成的？
  3. 什么是相对原子质量？

构成物质的微粒——原子

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上节课我们已经知道，分子是构成物质的一种微粒，通过这节课的学习，我们要知道，原子（Atom）也是构成物质的一种微粒。

原子既可以直接构成物质，比如金和氦都是由原子直接构成的，构成它们的原子分别叫金原子和氦原子。此外分子还都是由原子构成的，比如一个水分子含2个氢原子和1个氧原子。原子非常小，一粒人肉眼刚能看到的最小灰尘，其中也包括了大约1015个微小的原子！

原子是化学反应中的最小单位，化学反应的实质就是原子的分离与重组。举例：在“过氧化氢 → 水 + 氧气”这个反应中，每2个过氧化氢分子（共含4个氧原子、4个氢原子）重组，其中4个氢原子和2个氧原子组成2个水分子（各含2个氢原子、1个氧原子），剩余2个氧原子组成1个氧气分子（含2个氧原子）。

提出近代原子论的科学家是约翰·道尔顿（John Dalton）。

原子的构成

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原子一词，在希腊语中的原意就是“不可分割”，那么原子真的不可分割吗？

我们知道，有些物质会带电，我们称之为带电荷（electric charge），电荷又分为正电荷和负电荷两种。1897年，英国物理学家约瑟夫·汤姆孙（Joseph Thomson），突破性地从阴极射线中，发现了一种带负电荷的粒子，这种粒子名叫电子（Electron）。科学家们证明，电子是原子的一部分。

 
汤姆孙的原子枣糕模型
 
卢瑟福的原子太阳系模型，这里是锂（Li）原子，中央是原子核，有质子和中子，外围是环绕的电子。

但是，由于电子带负电，而整个原子对外不显电性，那么原子中一定还有带正电的部分与之相互抵消。汤姆孙提出了枣糕模型。他认为整个原子就像一个枣糕，其中带正电的就是糕，而带负电的电子就像枣一样镶嵌其中。

但在1909年，纽西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）同他的学生做了一个实验。用一种叫α粒子的粒子轰击一片薄金箔，他发现大部分的粒子都能通过金箔，只有极少数会被弹开。如果原子结构正如枣糕模型，正负电荷均匀分布，应该大部分粒子都被弹开才是。由此他认为原子中的正电荷部分一定体积极小，但是却占有了整个原子的大部分质量。由此他提出了一个类似太阳系的原子模型叫太阳系模型——带正电的原子核像太阳在中心，带负电的电子像行星绕着太阳旋转。

 
由二个上夸克及一个下夸克所构成的质子。

卢瑟福发现原子核中有一种带正电的质子（Proton）。后来英国物理学家詹姆斯·查德威克（James Chadwick）还发现了原子核中有一种不带电的中子（neutron）。每个电子带1个负电荷，每个质子带1个正电荷，一般原子中电子和质子数量相等，因此正负电荷抵消，原子对外不显电性。

经过科学家们的研究，质子和中子又是由更小的微粒夸克（quark）构成的。人类对于微观世界的探索，永远没有穷尽。

相对原子质量

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我们知道，原子很小很小，一个氢原子质量大约为1.67×10-27 kg。不同的原子质量也有所不同。但是原子质量如此小，书写及使用都不方便。于是，人们使用了另一种表示原子质量的方法——相对原子质量（atomic mass），又叫原子量，符号为 ，单位为1。

人们以一种碳原子（叫碳-12）质量的1/12作为标准，以其他原子质量与其比较所得到的比作为这种原子的相对原子质量，这种碳原子含有6个质子与6个中子，其质量的1/12等于1.6×10-27 kg。按这个标准，氢原子的相对原子质量约为1。

和质子、中子相比，电子质量很小。因此，原子的质量主要集中在原子核上。质子和中子的质量均约等于相对原子质量标准。相对原子质量是化学计算中十分常用的数据，可从书后附录中查到。

课后自主学习

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  1. 查找资料，写一篇《微观世界漫游记》。
  2. 氧原子的质量大约是2.657×10-26 kg，计算其相对原子质量。
  3. 以道尔顿的原子理论为依据，你怎样解释纯物质的每个样品都具有相同的性质？
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