【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

(相关资料图)

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第三章原子结构和元素周期律

§3-1原子的结构

【01】前面我们已经学到了不少有关元素和它们所组成的单质或化合物的知识，知道不同的物质具有不同的性质。但在学习了卤族元素和氧族元素之后，我们还知道同族元素在化学性质方面具有许多相似的地方，而且它们性质的变化，存在着一定的规律性。

【02】为什么不同的物质具有不同的性质呢？为什么同族元素在化学性质方面具有许多相似的地方，又存在着规律性的变化呢？

【03】要回答以上这些问题，我们就只能从原子的内部结构中去探讨。因为物质的性质是由它们的结构所决定的，只有认识了原子的内部结构，才能更好地认识物质的性质和它们的变化规律。本章主要内容就是介绍原子结构的理论和它的具体应用。

【04】物质是由分子组成的，分子是由原子组成的，那末原子又是什么组成的呢？

【05】在19世纪末期以前，大多数的化学家和物理学家都认为原子是构成物质最小的、不能再分的微粒。一直到了19世纪末期，由于放射性现象等一系列的新发现，才打破了这种认为原子是构成物质最小的、不能再分的微粒的看法。

放射性现象

【06】1896年，法国物理学家贝克勒耳有一次偶然发现，用黑纸包着的照相底片和铀(U)的化合物放置在一起后，照相底片感了光。这个现象，使他感到很大的兴趣，因为普通光线是不可能透过黑纸的。因此，他认为铀的化合物可能放出一种特殊的看不见的射线，这种射线会透过一般光线不能透过的纸而使照相底片感光。

【07】这个现象的进一步研究，是由当时在法国索本大学实验室里工作的居里夫人和她的丈夫居里进行的。经过他们长期艰苦的实验和研究，又发现了比铀具有放出这种特殊射线能力更强的两种元素一一钋(Po)和镭(Ra)。后来就把物质的这种自发的放出看不见的射线的性质叫做放射性，具有放射性的物质叫做放射性物质。

【08】那末放射性物质所放出的射线究竟是什么呢？让我们来看下面的一个实验。

【09】把放射性物质——镭（实际上是用镭的化合物）放在一只上方开有一个细孔的铅制小盒里，由于铅能阻止射线通过，所以只有一束射线通过小孔向外射出。如果在射线通道的两侧放两块极板，并接通较强的直流电源，使成阴阳两极（图3·1）。这样，射线就会受到它们的影响，分成三束前进：一束没有变化，仍然以原来射出的方向前进，叫做γ射线；一束向着带负电的极板偏转，叫做α射线；再有一束向着带正电的极板偏转，叫做β射线。

【在自然界里有两种电荷，一种是正电荷，另一种是负电荷。同性电荷相斥，异性电荷相吸。电荷在导电体中移动，使导电体有电流通过。直流电源有正、负两极，当金属板或碳棒分别与电源正、负极相连时，形成阳、阴两电极，分别带有正电（用“+”表示）和负电（用“-”表示）】

【10】γ射线是一种特殊的光波，它不含任何带电的微粒，所以两旁电极对它没有影响【γ是希腊字母，读作gamma(音：格马)】。

【11】α射线是由高速度运动着的带正电的微粒组成的。这种微粒叫α粒子。每个α粒子的质量约等于4个氧单位，它带2个单位正电荷，所以受到带负电的阴极吸引，向该极板偏转【α是希腊字母，读作alfa(音：阿尔法)】。

【12】β射线是由高速度运动着的带负电的微粒组成的。这种微粒叫β粒子，就是电子。每个电子的质量约等于1/1840个氧单位，它带1个单位负电荷，所以受到带正电的阳极吸引，向该极偏转【β是希腊字母，读作beta(音：倍塔)。镭只放出α和γ射线，β射线是由镭进行放射后生成的其他产物继续放出来的】。

【20230130山嵓注】“氧单位”是上世纪50年代我国使用的原子量单位。至于具体定义是什么，由于我所在地市去年效益不好，今年本地电子阅览室已无力采购知网，故我未能看到讲解“氧单位”论文的正文——李承鈺.(1956).对“初中化学原子量教学”的研讨. 化学通报(09)——不过我根据课文推测，1氧单位大概相当于1氢原子重量。

【20230131山嵓注】本来想暂时不管这个概念，但感觉不查明白不舒服，于是今天我就来到本地图书馆的基藏书库中翻找线索。其中七八十年代的化学书中已经不再使用“氧单位”，于是我就开始找更早的书籍，好在书库中还能找到一些，不过书已经很脆了，翻书都会掉沫子，不敢多翻，生怕弄坏这些珍宝，不过终于还是搞明白了“氧单位”的前因后果。

①首先要搞明白“氧单位”的大小。找到一本1964年4月天津人民出版社出版的《高中化学复习参考提纲》。其明确氧单位就是1个氢（氕）原子的质量。

②然后要搞明白为什么要起名叫做“氧”单位，而不是“氢单位”。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；周沛平译）。上面有尾注“原子和原子核的质量均用所谓物理质量单位来表示，即设氧的同位素O16的质量精确地等于16单位，此质量单位称为原子质量单位。”

③最后要搞明白为什么偏偏用氧为标准，而不是用其他元素（例如我们如今是以C12为标准）。找到一本1978年科学出版社出版的《自然科学基础知识第2分册——从元素到基本粒子》（美I·阿西摩夫著，何笑松译）。上面对前因有比较详细的介绍。大致意思是：这和19世纪的原子测量方法有关。19世纪测量原子量的一般方法，是从化合物中分离出单质，然后根据反应前后质量变化等元素化学行为进行推测，从而确定原子相对重量。而因为氧更容易和其他元素相结合，更容易获得化合物，即氧化物较为常见，因此就以氧为标准（书中明确，有记录可查的最早采用这一标准是在1850年。1850年比利时化学家斯塔斯Jean Servais Stas将氧的原子量定为准确的16）。

【13】之后，居里夫人和其他科学家在研究镭的放射现象时，又发现，尽管用来研究的镭非常纯净，但在它的周围常有两种新元素存在，一种是惰性气体氦(He)，另一种是当时还不知道的元素氡(Rn)。经过仔细的研究，知道氦和氢都是镭放射后的产物。象这种由于放射现象，由一种元素的原子转变为其他元素的原子的作用，叫做原子的蜕变。

【14】镭原子的蜕变可用图3·2表示。这里还值得注意的是，镭的放射现象既不决定于镭含在哪种盐里，也不决定于外界温度、压强等等条件，这是镭原子自发蜕变的结果。

【15】放射性现象的发现，人们得到了下列的结论：

【16】(1)一种元素的原子可能变成其他元素的原子，也就是说，一种元素可以变成其他元素。

【17】(2)原子既然可以蜕变，并在蜕变的过程中有射线放出，可见原子具有复杂的结构。

原子的结构

【18】原子内部的结构究竟是怎样的呢？

【19】1911年，英国物理学家芦瑟福用一束高速度带正电荷的α微粒流来射击金属薄片的时候，发现绝大多数的α微粒能够穿过金属薄片而不改变向继续前进，这说明原子内部是很“空敞”的。但有一部分的微粒穿过金属薄片时方向稍有改变，并且有极少数的（平均每一万个中约有一个）偏转较大，甚至有个别的微粒好象碰到一种极硬的、不可穿过的东西一样被弹回来（图3·3）。这些现象说明了α微粒一定碰到了一种体积很小、带正电荷的东西。因为a粒子带正电荷，同性电荷相斥，所以被弹了回来。芦瑟福把它叫做原子核，并认为每个原子都有一个原子核，原子核位于原子的中心，占有很小的体积，在原子核外有一定数目的电子，以极高的速度绕核运转着。一切原子的核所带的正电量和核外电子所带的负电总量相等，所以整个原子不显电性。

【20】这里产生一个问题，电子带负电，原子核带正电，电子会不会被原子核吸引到核上去呢？芦瑟福认为，电子在原子核外以极高的速度绕核迅速运转，具有一定的能量，好象行星绕太阳运转一样，所以不会被吸引到原子核上去，因此电子和核就保持着一定的距离。

【21】经过以后科学家进一步研究的结果，证实了芦瑟福的这些想法，而且发现各种元素的原子核所带的正电荷量（或称核电荷数)是不同的。

【22】图3·4表示氢原子的结构示意图，其中氢原子核在原子的中心，带有1个单位正电荷；有1个电子在绕核迅速运转，电子带1个单位负电荷。电子的质量极小，大约只等于氢原子质量的1/1840。因此，原子的质量主要集中在它的核上。

【23】上面有关原子模型的描述，可简要地归纳如下：

【24】(1)每个原子里都有一个体积极小、带有正电的原子核，核外有一定数目的电子，以极高的速度绕核运转着；

【25】(2)一切原子的核所带的正电量和核外电子所带的负电总量相等，所以整个原子不显电性；

【26】(3)原子的质量主要集中在它的核上。

习题3-1

1、什么是放射性现象？放射现象是怎样发现的？放射性物质放出的射线有哪几种？它们各具有什么性质？

2、放射性蜕变现象和化学现象里的分解反应有什么不同？[提示：从元素的原子是否转变为另一种元素的原子来考虑]

3、通过放射性现象的发现和研究，你对原子有了什么新的认识？

4、你怎样理解原子内部很空敞，又怎样说明原子内部有个带正电荷的、体积很小但质量很大的原子核？

5、既然原子中电子带负电，原子核带正电，为什么电子不会被原子核吸引到核上去？

6、为什么说原子的质量主要集中在它的核上？

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