【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書(shū)6677版』，此版叢書(shū)是“數(shù)理化自學(xué)叢書(shū)編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書(shū)共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書(shū)是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來(lái)自學(xué)。不過(guò)這套叢書(shū)卻很適合像我這樣已接受過(guò)基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫(xiě)的備注。

【山話嵓語(yǔ)】『數(shù)理化自學(xué)叢書(shū)』其實(shí)還有新版，即80年代的改開(kāi)版，改開(kāi)版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過(guò)我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)和計(jì)算模式的來(lái)由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開(kāi)版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒(méi)在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書(shū)6677版』上傳成文字版。

第三章原子結(jié)構(gòu)和元素周期律

§3-1原子的結(jié)構(gòu)

【01】前面我們已經(jīng)學(xué)到了不少有關(guān)元素和它們所組成的單質(zhì)或化合物的知識(shí)，知道不同的物質(zhì)具有不同的性質(zhì)。但在學(xué)習(xí)了鹵族元素和氧族元素之后，我們還知道同族元素在化學(xué)性質(zhì)方面具有許多相似的地方，而且它們性質(zhì)的變化，存在著一定的規(guī)律性。

【02】為什么不同的物質(zhì)具有不同的性質(zhì)呢？為什么同族元素在化學(xué)性質(zhì)方面具有許多相似的地方，又存在著規(guī)律性的變化呢？

【03】要回答以上這些問(wèn)題，我們就只能從原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中去探討。因?yàn)槲镔|(zhì)的性質(zhì)是由它們的結(jié)構(gòu)所決定的，只有認(rèn)識(shí)了原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，才能更好地認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)和它們的變化規(guī)律。本章主要內(nèi)容就是介紹原子結(jié)構(gòu)的理論和它的具體應(yīng)用。

【04】物質(zhì)是由分子組成的，分子是由原子組成的，那末原子又是什么組成的呢？

【05】在19世紀(jì)末期以前，大多數(shù)的化學(xué)家和物理學(xué)家都認(rèn)為原子是構(gòu)成物質(zhì)最小的、不能再分的微粒。一直到了19世紀(jì)末期，由于放射性現(xiàn)象等一系列的新發(fā)現(xiàn)，才打破了這種認(rèn)為原子是構(gòu)成物質(zhì)最小的、不能再分的微粒的看法。

放射性現(xiàn)象

【06】1896年，法國(guó)物理學(xué)家貝克勒耳有一次偶然發(fā)現(xiàn)，用黑紙包著的照相底片和鈾(U)的化合物放置在一起后，照相底片感了光。這個(gè)現(xiàn)象，使他感到很大的興趣，因?yàn)槠胀ü饩€是不可能透過(guò)黑紙的。因此，他認(rèn)為鈾的化合物可能放出一種特殊的看不見(jiàn)的射線，這種射線會(huì)透過(guò)一般光線不能透過(guò)的紙而使照相底片感光。

【07】這個(gè)現(xiàn)象的進(jìn)一步研究，是由當(dāng)時(shí)在法國(guó)索本大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里工作的居里夫人和她的丈夫居里進(jìn)行的。經(jīng)過(guò)他們長(zhǎng)期艱苦的實(shí)驗(yàn)和研究，又發(fā)現(xiàn)了比鈾具有放出這種特殊射線能力更強(qiáng)的兩種元素一一釙(Po)和鐳(Ra)。后來(lái)就把物質(zhì)的這種自發(fā)的放出看不見(jiàn)的射線的性質(zhì)叫做放射性，具有放射性的物質(zhì)叫做放射性物質(zhì)。

【08】那末放射性物質(zhì)所放出的射線究竟是什么呢？讓我們來(lái)看下面的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

【09】把放射性物質(zhì)——鐳（實(shí)際上是用鐳的化合物）放在一只上方開(kāi)有一個(gè)細(xì)孔的鉛制小盒里，由于鉛能阻止射線通過(guò)，所以只有一束射線通過(guò)小孔向外射出。如果在射線通道的兩側(cè)放兩塊極板，并接通較強(qiáng)的直流電源，使成陰陽(yáng)兩極（圖3·1）。這樣，射線就會(huì)受到它們的影響，分成三束前進(jìn)：一束沒(méi)有變化，仍然以原來(lái)射出的方向前進(jìn)，叫做γ射線；一束向著帶負(fù)電的極板偏轉(zhuǎn)，叫做α射線；再有一束向著帶正電的極板偏轉(zhuǎn)，叫做β射線。

【在自然界里有兩種電荷，一種是正電荷，另一種是負(fù)電荷。同性電荷相斥，異性電荷相吸。電荷在導(dǎo)電體中移動(dòng)，使導(dǎo)電體有電流通過(guò)。直流電源有正、負(fù)兩極，當(dāng)金屬板或碳棒分別與電源正、負(fù)極相連時(shí)，形成陽(yáng)、陰兩電極，分別帶有正電（用“+”表示）和負(fù)電（用“-”表示）】

【10】γ射線是一種特殊的光波，它不含任何帶電的微粒，所以?xún)膳噪姌O對(duì)它沒(méi)有影響【γ是希臘字母，讀作gamma(音：格馬)】。

【11】α射線是由高速度運(yùn)動(dòng)著的帶正電的微粒組成的。這種微粒叫α粒子。每個(gè)α粒子的質(zhì)量約等于4個(gè)氧單位，它帶2個(gè)單位正電荷，所以受到帶負(fù)電的陰極吸引，向該極板偏轉(zhuǎn)【α是希臘字母，讀作alfa(音：阿爾法)】。

【12】β射線是由高速度運(yùn)動(dòng)著的帶負(fù)電的微粒組成的。這種微粒叫β粒子，就是電子。每個(gè)電子的質(zhì)量約等于1/1840個(gè)氧單位，它帶1個(gè)單位負(fù)電荷，所以受到帶正電的陽(yáng)極吸引，向該極偏轉(zhuǎn)【β是希臘字母，讀作beta(音：倍塔)。鐳只放出α和γ射線，β射線是由鐳進(jìn)行放射后生成的其他產(chǎn)物繼續(xù)放出來(lái)的】。

【20230130山嵓注】“氧單位”是上世紀(jì)50年代我國(guó)使用的原子量單位。至于具體定義是什么，由于我所在地市去年效益不好，今年本地電子閱覽室已無(wú)力采購(gòu)知網(wǎng)，故我未能看到講解“氧單位”論文的正文——李承鈺.(1956).對(duì)“初中化學(xué)原子量教學(xué)”的研討. 化學(xué)通報(bào)(09)——不過(guò)我根據(jù)課文推測(cè)，1氧單位大概相當(dāng)于1氫原子重量。

【20230131山嵓注】本來(lái)想暫時(shí)不管這個(gè)概念，但感覺(jué)不查明白不舒服，于是今天我就來(lái)到本地圖書(shū)館的基藏書(shū)庫(kù)中翻找線索。其中七八十年代的化學(xué)書(shū)中已經(jīng)不再使用“氧單位”，于是我就開(kāi)始找更早的書(shū)籍，好在書(shū)庫(kù)中還能找到一些，不過(guò)書(shū)已經(jīng)很脆了，翻書(shū)都會(huì)掉沫子，不敢多翻，生怕弄壞這些珍寶，不過(guò)終于還是搞明白了“氧單位”的前因后果。

? ? ? ? ①首先要搞明白“氧單位”的大小。找到一本1964年4月天津人民出版社出版的《高中化學(xué)復(fù)習(xí)參考提綱》。其明確氧單位就是1個(gè)氫（氕）原子的質(zhì)量。

? ? ? ? ②然后要搞明白為什么要起名叫做“氧”單位，而不是“氫單位”。找到一本1959年12月高等教育出版社出版的《中子》（H·A·伏拉索夫著；周沛平譯）。上面有尾注“原子和原子核的質(zhì)量均用所謂物理質(zhì)量單位來(lái)表示，即設(shè)氧的同位素O16的質(zhì)量精確地等于16單位，此質(zhì)量單位稱(chēng)為原子質(zhì)量單位?！?/span>

? ? ? ? ③最后要搞明白為什么偏偏用氧為標(biāo)準(zhǔn)，而不是用其他元素（例如我們?nèi)缃袷且訡12為標(biāo)準(zhǔn)）。找到一本1978年科學(xué)出版社出版的《自然科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)第2分冊(cè)——從元素到基本粒子》（美I·阿西摩夫著，何笑松譯）。上面對(duì)前因有比較詳細(xì)的介紹。大致意思是：這和19世紀(jì)的原子測(cè)量方法有關(guān)。19世紀(jì)測(cè)量原子量的一般方法，是從化合物中分離出單質(zhì)，然后根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量變化等元素化學(xué)行為進(jìn)行推測(cè)，從而確定原子相對(duì)重量。而因?yàn)檠醺菀缀推渌叵嘟Y(jié)合，更容易獲得化合物，即氧化物較為常見(jiàn)，因此就以氧為標(biāo)準(zhǔn)（書(shū)中明確，有記錄可查的最早采用這一標(biāo)準(zhǔn)是在1850年。1850年比利時(shí)化學(xué)家斯塔斯Jean Servais Stas將氧的原子量定為準(zhǔn)確的16）。

【13】之后，居里夫人和其他科學(xué)家在研究鐳的放射現(xiàn)象時(shí)，又發(fā)現(xiàn)，盡管用來(lái)研究的鐳非常純凈，但在它的周?chē)Ｓ袃煞N新元素存在，一種是惰性氣體氦(He)，另一種是當(dāng)時(shí)還不知道的元素氡(Rn)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)的研究，知道氦和氫都是鐳放射后的產(chǎn)物。象這種由于放射現(xiàn)象，由一種元素的原子轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌氐脑拥淖饔?，叫做原子的蛻變?/p>

【14】鐳原子的蛻變可用圖3·2表示。這里還值得注意的是，鐳的放射現(xiàn)象既不決定于鐳含在哪種鹽里，也不決定于外界溫度、壓強(qiáng)等等條件，這是鐳原子自發(fā)蛻變的結(jié)果。

【15】放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，人們得到了下列的結(jié)論：

【16】(1)一種元素的原子可能變成其他元素的原子，也就是說(shuō)，一種元素可以變成其他元素。

【17】(2)原子既然可以蛻變，并在蛻變的過(guò)程中有射線放出，可見(jiàn)原子具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

原子的結(jié)構(gòu)

【18】原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)究竟是怎樣的呢？

【19】1911年，英國(guó)物理學(xué)家蘆瑟福用一束高速度帶正電荷的α微粒流來(lái)射擊金屬薄片的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的α微粒能夠穿過(guò)金屬薄片而不改變向繼續(xù)前進(jìn)，這說(shuō)明原子內(nèi)部是很“空敞”的。但有一部分的微粒穿過(guò)金屬薄片時(shí)方向稍有改變，并且有極少數(shù)的（平均每一萬(wàn)個(gè)中約有一個(gè)）偏轉(zhuǎn)較大，甚至有個(gè)別的微粒好象碰到一種極硬的、不可穿過(guò)的東西一樣被彈回來(lái)（圖3·3）。這些現(xiàn)象說(shuō)明了α微粒一定碰到了一種體積很小、帶正電荷的東西。因?yàn)閍粒子帶正電荷，同性電荷相斥，所以被彈了回來(lái)。蘆瑟福把它叫做原子核，并認(rèn)為每個(gè)原子都有一個(gè)原子核，原子核位于原子的中心，占有很小的體積，在原子核外有一定數(shù)目的電子，以極高的速度繞核運(yùn)轉(zhuǎn)著。一切原子的核所帶的正電量和核外電子所帶的負(fù)電總量相等，所以整個(gè)原子不顯電性。

【20】這里產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，電子帶負(fù)電，原子核帶正電，電子會(huì)不會(huì)被原子核吸引到核上去呢？蘆瑟福認(rèn)為，電子在原子核外以極高的速度繞核迅速運(yùn)轉(zhuǎn)，具有一定的能量，好象行星繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)一樣，所以不會(huì)被吸引到原子核上去，因此電子和核就保持著一定的距離。

【21】經(jīng)過(guò)以后科學(xué)家進(jìn)一步研究的結(jié)果，證實(shí)了蘆瑟福的這些想法，而且發(fā)現(xiàn)各種元素的原子核所帶的正電荷量（或稱(chēng)核電荷數(shù))是不同的。

【22】圖3·4表示氫原子的結(jié)構(gòu)示意圖，其中氫原子核在原子的中心，帶有1個(gè)單位正電荷；有1個(gè)電子在繞核迅速運(yùn)轉(zhuǎn)，電子帶1個(gè)單位負(fù)電荷。電子的質(zhì)量極小，大約只等于氫原子質(zhì)量的1/1840。因此，原子的質(zhì)量主要集中在它的核上。

【23】上面有關(guān)原子模型的描述，可簡(jiǎn)要地歸納如下：

【24】(1)每個(gè)原子里都有一個(gè)體積極小、帶有正電的原子核，核外有一定數(shù)目的電子，以極高的速度繞核運(yùn)轉(zhuǎn)著；

【25】(2)一切原子的核所帶的正電量和核外電子所帶的負(fù)電總量相等，所以整個(gè)原子不顯電性；

【26】(3)原子的質(zhì)量主要集中在它的核上。

習(xí)題3-1

1、什么是放射性現(xiàn)象？放射現(xiàn)象是怎樣發(fā)現(xiàn)的？放射性物質(zhì)放出的射線有哪幾種？它們各具有什么性質(zhì)？

2、放射性蛻變現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象里的分解反應(yīng)有什么不同？[提示：從元素的原子是否轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素的原子來(lái)考慮]

3、通過(guò)放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和研究，你對(duì)原子有了什么新的認(rèn)識(shí)？

4、你怎樣理解原子內(nèi)部很空敞，又怎樣說(shuō)明原子內(nèi)部有個(gè)帶正電荷的、體積很小但質(zhì)量很大的原子核？

5、既然原子中電子帶負(fù)電，原子核帶正電，為什么電子不會(huì)被原子核吸引到核上去？

6、為什么說(shuō)原子的質(zhì)量主要集中在它的核上？