普通化学/原子结构/亚原子粒子

粒子性质

在学习亚原子粒子之前，应该理解一些基本性质。

电荷

粒子可能带电。电荷是一种性质，它定义了粒子对其他带电粒子的作用力。有一句众所周知的谚语完美地适用于此："异性相吸。"（同样，同性相斥。）正电荷和负电荷会相互吸引并结合在一起。两个正电荷或两个负电荷会相互排斥。

有用提示！
并非所有粒子都带电。

粒子的电荷量用库仑来衡量，但更方便地用整数表示。例如，一个比正常少2个电子的氦离子带+2的电荷，而一个比正常多1个电子的溴离子带-1的电荷。（这可能看起来很反常，但请记住电子带负电荷。）注意，电荷不仅适用于亚原子粒子，还适用于离子和其他事物。始终记得指定电荷是正的还是负的。与普通数字不同，我们总是为正电荷写加号，以避免与负电荷混淆。

质量

质量是惯性的大小。从亚原子角度来看，质量也可以用能量来理解，但这与化学无关。粒子、原子和分子的质量不是用克来衡量，而是用原子质量单位或amu来衡量。有关质量和amu的更多信息，请阅读之前关于物质性质的章节。

原子核

一个原子（不成比例）

每个原子的中心都存在原子核。它非常小：如果你把一个平均原子（本身大小微不足道）扩大到足球场的大小，那么原子核大约只有弹珠那么大。然而，它却惊人地致密：尽管它只占原子体积的极小比例，但它却包含了原子几乎全部的质量。原子核在正常条件下几乎从不改变，在化学反应中保持不变。原子核本身由一对更小、更致密的粒子组成，即质子和中子。这些粒子统称为核子。

质子

质子带正电荷（+1），质量为1 amu。它们通常用$p$ 表示。

学习酸碱时，质子很重要——它们是酸的本质。记住，原子中的质子数就是它的原子序数，它决定了原子属于哪种元素。原子核中质子的数量从一个到一百多个不等。

以氢元素为例，它的原子序数为1，所以它有一个质子和一个电子。如果它被制成离子（缺少或多余电子的原子），它将只是一个质子。因此，质子就是氢原子的原子核，质子就是氢离子。所以，质子可以写成${\text{H}}^{+}$ 或$_{1}^{1}{\text{H}}^{+}$，这两个符号都代表氢离子。

中子

中子不带电荷，质量为1 amu。中子比质子略重，但差异可以忽略不计。中子通常用$n$ 表示。

我们的物理学家朋友们说，中子和质子是由更小的粒子——夸克组成的。幸运的是，我们不需要了解夸克，因为夸克不会影响化学。相反，夸克属于量子力学领域。

与质子不同，中子不能无限期地存在于原子核之外，因为它们会变得不稳定并分解。一个原子核中可以有很多质子和中子，它们彼此靠近。原子核中中子的数量从零到一百多个不等。

你可能想知道为什么存在中子。它们不带电荷，那它们能做什么呢？答案是肯定的——中子非常重要。记住，异性相吸，同性相斥。那么，几个质子如何在原子核中紧密地聚集在一起呢？似乎质子会相互排斥，导致原子核散开。然而，有一种强核力将原子核束缚在一起。这种不可思议的力量使核子之间的吸引力比电力的排斥力大得多，但只在极短的距离内起作用。

质子和中子数量之间存在着微妙的平衡。质子通过强核力相互吸引，但同时又因其电磁电荷而相互排斥，它们不能在原子核中大量存在，如果没有中子的稳定作用，中子通过强核力相互吸引，但它们不带电荷。相反，中子将它们固有的不稳定性赋予原子核，过多的中子会使原子核不稳定。

最后，中子在核反应中非常重要，例如核电站中使用的核反应。中子就像一颗子弹，可以分裂原子的原子核。由于它们不带电荷，中子既不被原子和离子吸引，也不被它们排斥。

电子云

在致密的原子核周围是一个电子云。电子带负电荷（-1），质量为0 amu。这并不意味着它们没有质量。电子确实有质量，但它太小了，对原子的总质量没有影响。电子的质量大约是质子或中子的1/1800。电子用$e^{-}$ 表示。

电子绕原子核外部运行，不受强核力的影响。它们决定了原子的化学性质，因为几乎所有化学反应都涉及原子和分子外层电子的相互作用或交换。

电子被原子核吸引，因为它们带负电荷，而原子核（由质子和中子构成）带正电荷。异性相吸。然而，电子不会落入原子核。它们绕原子核以特定的距离运行，因为电子具有一定的能量。这种能量阻止它们靠得太近，因为它们必须保持特定的速度和距离。电子能级发生变化会导致不同的现象，如谱线、物质的颜色以及离子的产生（缺少或多余电子的原子）。

电子相互作用

原子始终具有相同数量的质子和电子，因此它们的总电荷为零。原子是中性的。另一方面，离子是获得或失去电子的原子，现在质子和电子的数量不相等。如果有额外的电子，离子将带负电荷。如果缺少电子，离子将带正电荷，因为正质子占多数。

价电子（最外层的电子）负责原子在化学键中的行为。核心电子是所有不在最外层壳层的电子，它们很少参与反应。原子会试图填满它的价层。当原子有八个价电子时就会发生这种情况（在下一章中解释），因此原子会经历化学键来共享、给出或获取它需要的电子。例如，钠很可能放弃它唯一的价电子，使其外层为空（它下面的层是满的）。氯很可能接收一个电子，因为它有七个，想要八个。当钠和氯混合时，它们交换电子，形成氯化钠（食盐）。因此，两种元素都具有完整的价层，形成了非常稳定的化合物。