研习化学涉及把宏观世界的现象与微观世界的原子分子和离子的性质

第2章微觀世界

第5節原子結構

教學備忘

5.2元素的符號

瑞典化學家貝采利烏斯（J. J. Berzelius）被公認為現代化學元素符號的創建者。貝氏建議用元素英文名稱的首個字母作為元素的符號。如果兩種元素英文名稱的首個字母相同，則會在首個字母之後加上第二個字母或元素名稱內某個重要的字母。有些元素符號則是源自元素的拉丁文名稱。

5.3元素的狀態

世界上所有東西不是固體，便是液體或氣體。固體、液體和氣體是物質的三種狀態。固體是堅硬及難以分割的；液體會流動，其形狀隨容器而改變；氣體可輕易被壓縮。固體、液體和氣體具有不同的性質，這些差異可用物質的粒子學說解釋。

物質具有三種不同的狀態，是由於粒子的排列方式不同。

固態固體的粒子以固定的形式緊密地排列在一起。粒子之間藉強大的吸引力互相連結，所以它們只能在固定的位置上震動。

液態液體粒子的移動幅度比固體粒子的大。它們仍是緊密地排列在一起，但沒有固定的排列方式。液體粒子之間的吸引力比固體粒子的弱。

氣態氣體的粒子廣泛散佈。它們可迅速移動，粒子之間幾乎沒有吸引力。

5.4如何把元素分類

在已知元素中，金屬約佔四分之三。除汞外，所有金屬在常溫常壓下都是固體。在常溫常壓下，汞是一種閃亮的銀色液體。

注意如果電壓夠高時，一般被視為非導電體的物質（例如：空氣）也可導電。

5.5如何把元素分類

十九世紀初，一位名叫道爾頓（John Dalton）的英國學者提出了原子學說（atomic theory），他用這套學說來解釋物質的結構及化學反應的某些情況。以下是道爾頓提出的原子學說的撮要：

∙所有物質均由一些稱為原子的粒子組成。

∙原子不可被創造、毀滅、分割或任意由一種類型轉變為另一種類型。

∙同一種元素的原子具有相同的性質。

∙不同元素的原子具有不同的性質。

∙原子以簡單整數比例結合，生成化合物。

∙化學變化涉及原子的結合、分離或重組。

道爾頓的原子學說後來在1897年被英國科學家湯姆遜（J. J. Thomson）證實是錯誤的。

湯姆遜發現如果在高電壓的情況下，把電流通過一支接近真空的玻璃管，一道稱為陰極射線的光線會由負極射向正極，並且會在螢光屏幕上產生綠色螢光。

此外，如果在玻璃管外加上一個電場，陰極射線就會向正極電板偏移。由此，湯姆遜作出以下的結論：

∙這些射線是由粒子組成。

∙這些粒子是帶負電荷的，因為它們向正極電板偏移。

∙射線偏移極大，顯示組成射線的粒子的質量極低。

∙不論採用哪種金屬（如鐵或銀等）作為負極，產生的射線的性質都相同，這說明了這些物質內必定含有同類的粒子。

湯姆遜稱這些粒子為電子。他又指出，由於所有物質均由原子組成，而又含有電子，因此所有原子都含有電子。

色螢光是由一些射線造成的。這些射線受磁場和電場影響時，其偏移方向跟陰極射線的恰巧相反。湯姆遜稱這些射線為陽極射線。

組成陽極射線的粒子的質量取決於玻璃管內氣體的性質。例如，如果玻璃管內的氣體是氫氣，陽極射線粒子的質量就幾乎與一個氫原子的質量相等。如果管內的氣體是氧氣，粒子的質量就幾乎與氧原子的質量相等。因此湯姆遜得出以下結論：當迅速移動的電子把氣體的原子內的電子逐出，便會產生陽極射線。

玻璃管內的氣體是氫氣時，所產生的陽離子是最輕的，這一帶正電荷的粒子稱為質子。

化學家索地（F. Soddy）進行實驗時，發現從鈾-238的放射性衰變得出的鉛的原子質量是206，從釷-232的衰變得出的鉛的原子質量是208，這揭示了一個既複雜又有趣的現象。他把這兩種鉛區別，並稱它們為同位素。這發現揭示除了電子和質子之外，尚有一些亞原子微粒存在，因為只有這樣才能解釋不同的鉛的存在。

在1932年，化學家查德威克（J. Chadwick）發現一鈹樣本被a粒子（氦原子的原子核）撞擊之後，有一束光線射出。經過利用電場和磁場進行實驗分析，結果顯示該射線的粒子是中性的，其質量與質子的

相若。因此，不同的原子核含有不同數目的中子，這解釋了同位素質量上的差異。

道爾頓把原子視同桌球。湯姆遜發現電子之後，他將電子納入道爾頓的原子模型中。他認為原子是球體，帶負電荷的微細粒子散佈在原子上，樣子頗像布甸上的葡萄乾。他知道原子是中性的，不帶任何電荷，因此他認為原子的其餘部分是帶正電荷的。

湯姆遜的原子模型：

在1906至1908年期間，一位英國科學家盧瑟福（E. Rutherford）設計了多項實驗，以測試湯姆遜提議的原子模型。他以一些帶正電荷的a粒子射向一片金箔。如果a粒子能撞向螢光屏幕，便可以用顯微鏡觀察到所產生的光點。結果顯示大部分粒子都直穿過金箔，但有些粒子稍有偏移，而有些粒子則像碰撞到擁有巨大質量及帶正電荷的東西，被反彈回來。

盧瑟福指出，原子內帶正電荷的粒子（即質子），並不是隨意分佈於原子內，而是密集於原子中央一個細小的區域內，稱為原子核。

根據以上的實驗結果，盧瑟福認為一個原子應擁有以下兩種粒子：

1帶正電荷的質子。它們位於原子中央，形成帶正電荷的原子核。

2帶負電荷的電子。它們環繞着原子核作高速運行，數目與質子相等。

盧瑟福的原子模型：

盧瑟福的原子模型讓我們更深入認識原子的結構，但它仍有一些缺點。根據傳統的牛頓物理學理論，電子圍繞着原子核運行時應該會釋放出能量（以輻射形式）。這會減慢電子運行的速度，而電子與原子核之間的靜電吸引力會把電子引向原子核，導致所有物質都倒塌，但事實並非如此。當時人們早已知道，每種元素都會吸收和釋放擁有特定能量的光。

丹麥物理學家波爾（N. Bohr）推斷傳統物理學理論不適合用來解釋電子在原子內的運行。他進一步

可用來解釋元素特有的光譜。

根據波爾的原子模型，在第n軌道上的電子數目相等於2n2。但是，較大的原子內含有較多電子，因此，這一簡單的模型並不適用於較大的原子。

波爾的原子模型：

愛恩斯坦提出，光既可以是波，亦可以是粒子流。在1926年，薛定諤（E. Schrödinger）提出電子以波的

原子核的三維波，而非存在於任何一點上。

這種「波粒二象性」的意思是，我們只能談及在原子的某一空間內發現電子的機率。在某一點上發現