A-level 化学/OCR/原子结构
“原子”这个词来自希腊语，意思是“不可分割”。原子是化学元素的最小粒子，它保留了该元素的化学性质。原子由亚原子粒子组成，为了理解原子的行为，我们首先必须了解它的组成粒子。
电子是微小的带电粒子。它们带负电，质量很小，存在于原子核周围的空旷空间中，原子核包含所有其他粒子。在元素状态下，原子不带电，它们拥有的电子数量与质子数量相同。电子可以表现为粒子，也可以表现为波；这被称为物质的波粒二象性。它只对与原子粒子大小相似的物体有意义。电子存在于不同的能级或轨道上，优先填充最低能级。
质子比电子大得多。它们的质量是电子的 1836 倍，它们的正电荷与电子的负电荷大小相等，方向相反。
中子是最后被发现的核粒子。它们不带电，因此不会被磁场偏转。它们的质量几乎与质子相同，原子核中通常中子的数量比质子多，但它们也可以相等。
原子通常用两个关键数字来描述，即它们的原子序数和它们的质量数。
原子核中质子的数量是原子最重要的方面。这个数字决定了原子属于哪个元素。原子的原子序数可以告诉你：
- 原子核中质子的数量
- 当原子呈中性时，它拥有的电子数量
- 原子在元素周期表中的位置
原子的大部分质量来自原子核。由于我们知道质子的质量几乎等于中子的质量，所以我们可以用原子核中粒子的数量来衡量原子的质量。质量数可以告诉你：
- 原子核中粒子的总数
- 原子核中中子的数量（记住减去原子序数）
- 原子的相对原子质量
| 粒子名称 | 相对质量（统一原子质量单位） | 质量（kg） | 相对电荷 |
| 电子 | 1/1836 | 9.11*10-31 | -1 |
| 质子 | 1 | 1.67*10-27 | +1 |
| 中子 | 1 | 1.67*10-27 | 0 |
同位素是原子序数相同但质量数不同的原子。
同位素的表示方法如下：
AZXY
其中 A 是质量数，Z 是原子序数，Y 是原子的电荷，X 是该元素的符号。
例如，氢有三种同位素。
| 名称 | 氕 | 氘 | 氚 |
| 符号 | 11H | 21H | 31H |
| 质子 | 1 | 1 | 1 |
| 中子 | 0 | 1 | 2 |
从同位素符号中计算出每个亚原子粒子的数量相当简单。举一个简单的例子，让我们看看一个钙离子：
4020Ca2+
质子的数量等于 Z。
中子的数量等于 A - Z。
中性原子中的电子数量等于 Z。
正离子中的电子数量等于 Z - Y。
负离子中的电子数量等于 Z + Y。
根据这些规则，你应该能够算出钙-40 离子有 20 个质子、20 个中子和 18 个电子。
原子的大部分行为由其电子的相互作用决定。当你坐在椅子上时，阻止你穿透椅子的力量是构成椅子的原子中的电子和构成你身体的原子中的电子之间的排斥力。
为了理解化学反应，你必须理解电子在原子中的存在方式。我们对电子的许多了解来自量子理论，该理论指出电子可以用四个量子数来描述。你只需要知道的是主量子数，它描述了电子的能级。
在你学习的 GCSE 化学中，你已经接触过以电子层形式出现的 主量子数。该数字用符号 n 表示，因此，如果我们说“电子处于 n = 3”，这意味着“电子处于第三层或能级”。每个能级都可以容纳一定数量的电子。
| n= | 最大电子数 |
| 1 | 2 |
| 2 | 8 |
| 3 | 18 |
在 GCSE 中，你会被教导用这种方式表示原子的电子排布
例子
锂（3）：2,1 钠（11）：2,8,1
在 AS 级别，我们更深入地研究，将电子层细分为多个亚层。一对电子被称为原子轨道。
s 亚层容纳 2 个电子（或 1 个轨道），
p 亚层容纳 6 个电子（或 3 个轨道），
d 亚层容纳 10 个电子（或 5 个轨道），
f 亚层容纳 14 个电子（或 7 个轨道）。
亚层的排列顺序如下
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, ....
请注意，4s 轨道在 3d 轨道之前填充！！
这听起来很吓人，但通过练习你会学会正确的顺序。你只需要记住亚层出现的顺序以及每个电子层容纳的电子数量。
为了表示电子排布，你只需写出该顺序，将每个亚层中的电子数量作为上标。
因此，氢-1（1）就是 1s1
锂（3）是 1s22s1
钠（11）是 1s22s22p63s1
轨道也具有配对的自旋，一个逆时针旋转，一个顺时针旋转。你可以通过在方框中画一个向上箭头和一个向下箭头来表示这一点。你必须记住，如果在考试中被要求绘制图表，那么在每个电子层（例如 2p）上，你总是先用一个方向的箭头填充 3 个轨道（例如，先用向上箭头填充所有 3 个方框，然后再填充向下箭头）。因此，如果 2p 亚层中只应该有 2 个电子，那么在 2 个不同的轨道中画 2 个向上箭头，不要在一个轨道中画一个向上箭头和一个向下箭头。
化学家对能级存在的最好证据来自电离能。
原子在失去电子时会电离。移除电子的能量被称为电离能。当从原子中移除每个电子时，所需的电离能会增加，因此我们将移除第一个电子所需的能量称为第一电离能，移除第二个电子所需的能量称为第二电离能，以此类推。更准确地说，第一电离能是将一摩尔电子从一摩尔气态单原子元素中移除所需的能量。第二电离能是将一摩尔电子从一摩尔气态离子中移除所需的能量，这些离子每个都带有一个正电荷。