第三单元　人类对原子结构的认识第二课时教学设计

人类对原子结构的认识

一、学习目标

1．知道化学科学的主要研究对象，了解化学学科的发展趋势。

2．通过从道尔顿原子结构模型到量子力学原子结构模型等原子结构模型演变的学习，了解科学家探索原子结构的艰难过程。

3．通过汤姆生原子结构模型、卢瑟福原子结构模型等的学习，体验科学实验、科学思维对创造性工作的重要作用。

4．了解钠、镁、氧等常见元素原子的核外电子分层排布的情况，知道这类原子在化学反应过程中常通过电子得失使最外层达到8电子稳定结构的事实。通过氧化镁的形成反应初步了解镁跟氧气发生化学反应的本质。

5．了解原子是由原子核和核外电子构成，绝大多数原子的原子核是由质子和中子构成的。能根据原子组成符号判断原子的构成。知道同位素等概念。

二、课时建议

原子结构模型的演变 1课时

原子的构成 1课时

三、编写思路

首先，人类对原子的认识和探索已经历了2 500多年的漫长历史。到了20世纪80年代，科学技术的发展，使科学家能够用扫描隧道显微镜观察到物体表面的原子。在人类对原子结构的探索过程中，很多科学家做了长期而艰苦的工作，其中的探索历程有很强的教育价值，可以引发学生进行多方面的思考，给学生留下多方面的启迪。

其次，化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其变化和应用的一门科学。要研究物质的宏观性质，必须到微观世界去寻找原因，必须从微观粒子入手才能更好地加以理解。化学学科中涉及分子、离子、原子、核内质子和中子、核外电子等多种微观粒子，但最重要的是研究原子。因为，只要了解了原子的结构，就可了解分子和离子的结构；了解了原子的结构，就可更深入地认识物质的组成和结构，了解化学变化的规律。学生经过初中化学的学习已初步了解一些化学物质的性质和应用，因此，非常有必要让学生进入微观世界去探索物质的奥秘。

编者以新课程标准为编写依据，以遵循学生的认知规律、培养学生热爱科学的情感为前提，从“原子结构模型的演变”切入，通过认识道尔顿原子结构模型、汤姆生原子结构模型、卢瑟福原子结构模型、玻尔原子结构模型等几种典型的原子结构模型，引导学生了解人类探索原子结构的基本历程，让学生体会科学探究过程的艰难曲折。在这个基础上学习有关原子构成的基础知识，形成原子核外电子是分层排布的等初步概念。

从前后联系分析，先安排原子结构模型的演变，让学生了解人类认识原子结构的历程也可以提高学生学习原子结构知识的兴趣。了解原子的构成，了解核素、同位素的概念，了解质子数、中子数和质量数之间的关系，了解原子核外电子分层排布、化学反应中原子外层电子排布的变化是为后续单元、后续专题的学习打下理论基础。

本专题的编写与以往的传统教材有很大的差别。传统教材中，有关原子结构的内容是与元素周期律和元素周期表等内容编排在一起的。原子核外电子排布和元素周期表等内容要在《化学2》中进行系统学习。．将原子结构等最基础的内容编排在《化学1》的第1专题中，这是考虑到后面将要学习“物质的量”、“氧化还原反应”等内容，物质的量的学习中要涉及分子、原子、电子、中子和质子等微观粒子，氧化还原反应学习中要涉及原子最外层电子变化等，要理解和掌握这类概念都需要原子结构的初步知识。

四、教学建议

在进行教学设计前，教师必须深刻理解《普通高中化学课程标准》的精神和教材编写者

的编写思路，这样才能提出符合实际的教学设计。《普通高中化学课程标准》中与本单元有关的要求是：

(1)知道元素、核素的含义。查阅资料并讨论：放射性元素、放射性同位素在能源、农业、医疗、考古等方面的应用。

(2)知道化学科学的主要研究对象，了解20世纪化学发展的基本特征和21世纪化学的发展趋势。查阅20世纪化学发展过程中重大事件的资料(或观看录像)，与同学交流讨论。

(3)发展学习化学的兴趣，乐于探究物质变化的奥秘，体验科学探究的艰辛和喜悦，感受化学世界的奇妙与和谐。

(4)从科学家探索物质构成奥秘的史实中体会科学探究的过程和方法，增强学习化学的兴趣。

教学设计过程中可以采用学生自主讨论的方法，多创设情景让学生自主学习、自主得出结论。多考虑利用多媒体手段给学生提供丰富多样的素材，深入浅出地向学生介绍科学家对原子结构的最新认识成果。

教学设计中要把握好教学的深度，千万不要在知识上再作过多的拓宽和深化，以免加重学生负担。有关原子核外电子排布的内容，只要求学生了解原子核外电子是分层排布的这一基本观点。可以引导学生经过自己的探索得到许多原子有达到“8电子稳定结构”的倾向等规律，为学生理解化学反应过程中原子外层电子结构的变化打下基础。这些内容的教学，可结合教材中的素材，让学生自主讨论，自己完成并得出结论，教师不宜过多的包办代替。

从知识与技能、过程与方法、情感态度和价值观等教学目标角度分析，各部分内容的编排都为教师在教学过程中达到不同的教学目标留下了自主发挥的余地。教学设计中要注意把握这个特点。像“原子结构模型的演变”中，展示了人类历史上几种具有代表性的原子结构模型，以帮助学生了解为探索原子结构作出过重大贡献的科学家、原子结构模型探索的大致历程、各种原子结构理论的要点等。教材上的这种呈现方式可以让学生体会到，科学研究的道路不是一马平川，人类对原子结构的认识经历了漫长的过程，人类对原子结构认识的每一点进展都是建立在许多科学实验的基础之上，人类对原子结构的认识还在不断深入。这一内容为在课堂教学中进行科学史教育、利用人类对原子结构的认识达到情感态度和价值观教育提供了便利。

1．教学设计思路

“人类对原子结构的认识”可以通过创设问题情景一学生阅读自学一教师引导学生发现问题一总结归纳形成结论的思路来组织教学。例如，可通过下面的方法创设问题情景：

化学家已经发现和创造了2 000多万种化学物质，这么多的化学物质是由什么微粒构成的?请同学们观察图1—1，分析金属铜、氯化钠、水是由什么微粒构成的。

原子，是大家非常熟悉的一个名词，但人类对原子的认识和探索已经历了2 500多年的

漫长历史。直到20世纪80年代，科学家用扫描隧道显微镜观察到物体表面的原子，才对原子结构有了进一步的认识。为什么人类早期对原子结构的探索如此艰难? 能否选用适当的素材创设出问题情景、能否将学生的注意力集中到要研究的课题上来、能否激发学生自己提出问题等是教学设计中首先应考虑的问题。在创设问题情景时，教师应通过多种途径积累足够的素材，如“硅晶体和用扫描隧道显微镜观察到的硅表面的硅原子”图像、“原子内部结构”图像、有关科学家及其生平的录像资料都是很好的有关“人类对原子结构的认识”的教学素材。

培养学生学会从微观角度思考问题的能力是本单元教学设计中的一个重点。在初中化学学习中，学生已经积累了一定的化学基础知识，了解了一些化学物质的宏观性质和应用。在这个阶段，我们必须通过本单元的教学，推动学生从物质的宏观性质的学习和研究转入从微观角度分析研究问题，这是化学思维继续提升的一个关键，也是教学设计中的一个重点和难点。教学设计中要充分考虑学生的知识基础，研究学生在学习过程中可能会遇到的障碍。

在教学设计中，应把思维能力的培养、科学方法的养成、科学精神的体验等作为一个整体来考虑。如当学生阅读到“原子结构模型的演变”中关于汤姆生原子结构模型的内容时，教师可以向学生适当介绍汤姆生通过阴极射线实验发现电子的事件，并向学生提出下列问题：

(1)从道尔顿原子结构模型到汤姆生原子结构模型，时间上相隔了近100年。汤姆生是根据什么实验事实对道尔顿的原子结构模型产生怀疑的?

(2)汤姆生原子结构模型和道尔顿原子结构模型相比较，汤姆生作了哪些改进?为什么

认为汤姆生原子结构模型使人类对原子结构的认识更深入了一步? 在“原子结构模型的演变”的教学设计中，也要重视基础知识的落实。如教材第4页中，在介绍了几种典型的原子结构模型后，简明地归纳出下列结论：人们已经知道，对于多电子原子，可以近似认为原子核外电子是分层排布的。其后还以图像形式给出H、 He、0、Ne、Mg等原子的核外电子分层排布示意图。这是要求学生掌握有关核外电子排布的基础知识，同时又为学生探索化学变化中原子核外外层电子发生变化等打下基础，为学生的进一步学习留下空间。教学设计中要注意教材编写者的意图，引导学生总结归纳教材中的各种信息。

教学设计中要充分发挥学生的学习主动性，让学生自主学习、自主探究，多让学生利用教学素材自主地交流和讨论、自主地总结出规律。如教材第6页中关于表1—2“几种原子的质子数、中子数和相对原子质量”的教学设计中，要让学生自己提出问题、自主地跟同学交流讨论、自己完成讨论结果的书面表述。从中让学生充分体验交流讨论、发现规律、得出结论的过程，让学生在获得有关原子构成基础知识的同时又可以体验自主学习后获得的成功感。

2．教学设计片断

片断1“原子结构模型的演变”课题的引入

教师活动

学生活动

请同学们观看图片、录像或用于表示原子结构 学生观看图片、录像片段，思考、猜测、的动画。

提出多种多样的结论。

教师介绍：这是某网站用于表示原子结构的动 学生的注意力集中到“原子结构”问题上，画。

激起学生进一步探究原子结构、了解人类对根据科学家的研究结果，用这些动画来表示原子原子结构的认识历程等内容的兴趣。

结构存在着很多科学性错误。进一步追问“原子 学生思考教师的问题。

是大家非常熟悉的一个名词，你有没有思考过下

列问题?”

(1)原子到底是一个什么“东西”? (2)科学家眼里的原子是怎样的? (3)科学家是怎样探索原子结构的?有哪些科学家为探索原子结构作出了重大的贡献?

教师引导：欲了解这些内容，请同学们自学教 学生自学。

材内容。(或向学生展示更多的有关原子结构模 (或边观看、边讨论)

型演变的图片，让学生观看录像)

片断2质子、中子和电子的质量、相对质量和电量

【教师活动】教师引导：原子是由原子核和核外电子构成的，绝大多数原子的原子核由质子和中子构成。质子、中子和电子是构成原子的三种粒子，这三种粒子的质量大小、带电荷情况等方面有什么差异?请同学们运用教材表1—1中的数据进行比较。

【学生活动】阅读表1—1，比较三种粒子的质量大小、带电荷情况。多数同学会提出下列问题：什么是相对质量? 【教师活动】教师引导：请同学们阅读课本注释，理解C-12原子的构成、相对质量的含义。

1个C-12原子的质量是1．993 2×10q。kg，C．12原子质量的1／12是1．661×10川’kg。请

计算一下表1—1中质子、中子和电子的相对质量，比较一下你的结果跟表中是否一致。

根据计算结果，你能得出哪些结论?

【学生活动】学生计算后得出的结果与表1—1中的数据基本一致。

绝大部分同学会得出下列结论：三种微粒的质量都很小，中子和质子的质量基本相等。电子的质量最小；中子不带电荷，质子带正电荷、电子带负电荷，质子和电子的带电量相等……

【教师活动】教师追问：你认为原子的质量集中在原子核上还是原子核外?为什么?相对于整个原子来说，原子核外某个电子的质量能否忽略不计?据报道，国外某研究所已发现了114号元素的原子，这种原子的核外共有114个电子，你认为在计算该原子的质量时能否把114个电子都忽略不计? 【学生活动】学生展开讨论，大部分学生很快就得出结论：相对于原子来说，原子核外某个电子的质量可以忽略不计。能否将114号元素原子中的114个电子都忽略不计，学生之间会展开争论。有的同学会经过计算，最后得出也能忽略不计的结论。

【教师活动】教师提问：请某位同学来总结一下有关原子的质量与质子、中子、电子的质量之间的关系。(若这位同学不能完整总结出来，再请另一位同学来补充) 【学生活动】被提问的同学回答：原子的质量集中在原子核上，核外电子的质量可以忽略不计，质子跟中子的质量基本相等。

【教师活动】教师提问：请同学们比较一下质子、中子、电子带电荷情况，看看你能得出什么结论?氢、钠、氯、氦、氖、氩等原子都是显电中性，由此你能得出什么结论? 【学生活动】学生回答：中子不带电、质子带正电荷、电子带负电荷。原子显电中性，说明每种原子中核内的质子数跟原子核外的电子数相等。

【教师活动】教师总结：根据刚才同学们的研究，大家已获得一些共同的认识。总结起来主要有以下几点：原子的质量集中在原子核上，原子的质量大小由原子核中的质子数和中子数决定；由于原子显电中性，所以原子核内的质子数跟核外的电子数相等。

请同学们与座位边上的同学进行自我组合形成小组，完成教材第6页“交流与讨论”。结束后请每组同学推选一个代表发言，汇报讨论结果。

【学生活动】学生查阅资料，进行讨论。有的小组会提出一些问题，如：什么是质量数?“；x”的含义是什么?为什么在“”中不直接标出中子数、电子数?等等。

【教师活动】对于这些问题，由于难度不大，教师不一定要直接回答，可以让学生之间经过交流后自己解决。小组代表汇报讨论结果。教师还可以根据当时的教学活动情况和学生的个别差异再适当补充一些实例，让学生分析研究。在这个基础上，就为学生在后续学习中理解“同位素”、“核素”等基本概念打下了基础。

五、疑难解析

1．原子结构模型的演变历史给我们的启迪

从古代希腊哲学家留基伯(Leucippus，公元前500～前440年)和德谟克利特(Democri—

tus，公元前460～前370年)的朴素原子说到现代的量子力学模型，人类思想中的原子结构模型经过多次演变，给我们多方面的启迪。

(1)化学认识中的继承、积累、突破和革命。

继承、积累、突破和革命，是科学认识发展的形式，也是化学认识发展的形式。原子结构模型的演变历史是一个典型的实例。

继承是指后人承袭前人留下的实验资料、研究方法、思想、理论和观念。在继承的基础上又加上自己的创造，留给后人，如此一代一代传递下去，知识日益丰富，认识不断发展。知识的积累达到一定程度，在一定的条件下，认识就会发生突变或飞跃，这就是人们通常所说的突破。道尔顿原子结构模型就继承了古希腊哲学家所提出的朴素原子思想的内容。如德谟克利特认为宇宙万物是由世界上最微小的、坚硬的、不可入、不可分的物质粒子构成的，他将这种粒子叫做“原子”。他认为，原子在性质上相同，但形状、大小却是多种多样的。

道尔顿原子论的一个要点就是“原子是不可再分的微粒，既不能被创造、也不能被毁灭。”这么看来，道尔顿原子论受到古希腊原子思想的影响。

突破的特点是创新。一个重要概念的提出、确立或重大变化，一种新的有重大影响的方法的采用，一种重要物质的结构的发现和确立，一种有重大影响的新现象、新规律的发现，都是创造性思维的结果。汤姆生通过阴极射线实验发现了电子，得出原子中还包含了更小的粒子，提出原子中含有电子，进而提出汤姆生原子结构模型，这是对道尔顿原子结构模型的一种突破。卢瑟福根据新的实验事实，提出有核的原子结构模型，认为原子中有一个坚实的原子核，核外是空荡荡的空间，只有几个微小的电子在运动，这又是对汤姆生原子结构模型的突破。

(2)实验方法是科学研究的一种重要方法，实验手段的不断进步是化学发展的一个关键。

道尔顿(J．Dalton，1766～1844)是综合研究了质量守恒定律、定组成定律、当量定律等众多的化学理论后提出原子论的，质量守恒定律、定组成定律、当量定律等都是在化学实验的基础上提出来的。

1897年，汤姆生(J．J．Thomson，1856～1940)发现原子中存在电子，并测定出电子的质量不到氢离子质量的干分之一(后来确定为1／1 836)。电子的发现，使人们对原子结构的认识进入新的阶段，人们开始认识到原子是由更小的粒子构成的。1904年汤姆生提出了一个被称为“葡萄干面包式”的原子结构模型。可以说，汤姆生是以从阴极射线实验中发现电子为起点进而提出汤姆生原子结构模型的。

1911年英国物理学家卢瑟福(D．Rutherford，1871～1937)根据a粒子散射现象，提出了带核的原子模型：原子由原子核和核外电子组成，原子核带正电荷，位于原子中心，电子带负电荷，在原子核周围空间作高速运动，就像行星绕太阳运转一样。

1913年，丹麦著名物理学家玻尔(N．Bohr，1885～1962)根据人们对氢原子光谱的研究，大胆突破传统，提出了他的原子结构模型：原子核外电子在一系列稳定的轨道上运动，每一轨道都具有一个确定的能量值；核外电子在这些稳定轨道运动时，既不放出能量，也不吸收能量。

可以说，原子结构模型的每一次演变，都是从科学实验开始的，每个新的原子结构模型的建立都是以众多的实验事实为依托的。

其他的化学研究也是如此，近代化学实验手段的飞跃发展，更是将化学研究推进到一个新的时代。没有科学实验，就没有科学发现。

(3)科学研究、科学发现是无止境的。

原子结构模型的演变告诉我们，科学发现是无止境的。从道尔顿原子结构模型到汤姆生原子结构模型，再依次到卢瑟福原子结构模型、玻尔原子结构模型、现代量子力学原子结构模型，每建立一个新的原子结构模型，人类对原子结构的认识就深入了一步。道尔顿认为原子是最小的微粒，到了20世纪30年代初科学家认为原子是由中子、质子、电子和光子等几种基本微粒构成的。但是没过多久，先是在宇宙射线中，后是在高能加速器中，发现了一大批基本粒子。到目前为止，比较稳定、寿命长的基本粒子有三十多种，而那些不太稳定的、寿命较短的基本粒子则有四百多种。

2．原子的8电子稳定结构

教材第5页中图1—9要求学生观察氧原子、镁原子形成氧化镁时电子层结构的变化规律。这里涉及“8电子结构”问题。

钠、镁、铝、钾、钙等活泼金属原子在化学反应时容易失去电子形成最外层为8电子结构的阳离子。氟、氯、溴、碘、氧、硫等许多活泼非金属原子在化学反应中容易得到电子形成最外层为8电子结构的阴离子。氖、氩、氪、氙等最外层为8电子结构元素的原子的化学性质很不活泼。这些事实说明许多原子有达到最外层为8电子结构的倾向，最外层8电子结

构是一种比较稳定的结构。像C02、CI,、N。等分子中各原子的最外层电子数也都达到了8电子结构。

这里要注意的是，“8电子结构”只是一个经验性的规律，有许多情况无法用这个规律来解释。如，BeCI。中的铍原子、BF3中的硼原子、H。中的氢原子、He分子中的氦原子等最外层电子都不到8个，但也是比较稳定；再如PCI5中的磷原子、SF6中的硫原子等最外层都超过了8个电子，也很稳定；还有类似于NO中的氮原子也无法用8电子结构来解释。

3．核素与同位素

具有一定质子数和一定中子数的原子称为一种原子，又称为一种核素。质子数相同、中子数(或质量数)不同的原子互称为同位素。我们可以说：H是一种核素、；H是一种核素、；H也是一种核素，：H、：H、；H都是氢元素的核素。：H是；H或；H的同位素，；H是：H或：H的同位素，；H是：H或；H的同位素。

若两种核素的质子数相同、中子数也相同，那么他们的质量数必定相同。但要注意，由于质量数是质子数与中子数之和，所以说两种核素的质量数相同时，他们的质子数不一定相等，中子数也不一定相等。

核素容易被理解为原子核的种类，但其真正含义是同种元素的不同原子。核素可以用：x来表示。

同位素最初的含义是指元素周期表中放在同一位置的元素，即原子序数相同、质量数不同的核素。许多参考书上仍有这样的说法，例如：¨o、"O、¨O是同位素，叫做氧的同位素。实际上这里存在一种错误，因为¨0、"0、埔0都只是一种核素，他们都不是一种元素。

六、习题研究

1．被称为“未来钢铁”的钛(Ti)元素有多种原子，如錾Ti、：；Ti、竺Ti、芝Ti、器Ti。计算这些核素中的质子数、中子数和电子数。

2．我国科学家曾合成了三种新原子，其中一种新原子的名称是铪一185。这种核素的中子数是多少? 3．人类探索原子结构的过程中，除了道尔顿、汤姆生、卢瑟福等科学家外，还有许多科学家也为此作出了巨大的贡献。请查阅资料，人类在探索原子结构的过程中，还有哪些科学家作出过重大的贡献? 4．许多元素有多种核素，而且在自然界中各核素都有固定的质量分数。观察分析下表，填写下列空格：

碳、氧和氯三种元|II的核素

元素

核 素

。：c

。：c

’：c

。：0

。；0

’：0

嚣c1

：；c1

自然界中的质量分数

核电荷数

98.9％

1.1％

很少

99.8％

很少

0.2％

75．O％

25.0H

中子数

碳

氧

氯

根据以上信息，请分析氯化氢气体中，各个氯化氢分子的质量是否一定相等?同种物质中各个分子的质量是否一定相等? 5．某化合物样品中含铁56 g，含氧24 g，试问该样品中铁和氧的质量比是多少?在该化合物的另一份样品中，铁的含量为40 g，那么在这一样品中，氧的含量是多少? 6．通过查阅资料解决下列问题。

(1)钙原子、氟原子的最外层有几个电子? (2)钙原子和氟原子形成氟化钙时，各原子的最外层电子数怎么变化? 七、教材习题参考答案

1．略

2．

原子

C

Cl

0

质子数(Z)

中子数(N)

质子数+中子数(A)

：x

6

17

8

6

20

10

12

37

18

‘：c

饕cl

’：0

3．9种：：Hz’。0、：Hz"0、：Hz¨0、；H：’‘0、；H。’’O、；H：。。0、：H。’。0、；H。’’O、；H。’。0 八、参考资料

1．四元素学说

亚里士多德(Aristotle，公元前384～前322年)总结了前辈思想家的理论，发展成这样的看法，即万物都由叫hule的原始物质生成，在它的上面可以印上种种不同的形式，形

式多得像雕刻家可以用一块大理石刻出种种不同的雕像一样。虽然亚里士多德宁愿认为形式是由内部发展起来的，就像有机体的生长一样。他把形式称为eidos，这些形式可以去掉并换上新的形式，因而导致元素蜕变这一观念的出现。亚里士多德认为物质的基本性质是热、冷、湿、干，他把它们成对地组合，得出所谓四元素，即火、空气、土、水，如图1—3所示。

因此，水是又冷又湿的东西的典型，火是又热又干的东西的典型。他在这四种物质元素之外，又加上第五种(非物质)元素，称为

“第五元素”(quintessence)。这个元素同以太相当。他认为这些元素都是自动地成为土(向下)、水(海洋)、空气(大气)、火以及以太(天空及天体)的。

2．原子论

早在2 500年前，古希腊的德谟克利特(公元前460～前370年)等人提出原子论思想。原子论主张世界是统一的，自然现象可以得到统一的解释，但统一不是在宏观层次上进行的，不是将一些自然物归结为另一自然物，而是将宏观的东西归结为微观的东西，这些微观的东西就是原子。

德谟克利特等人认为：宇宙万物是由世界上最微小的、坚硬的、不可入、不可分的物质粒子构成的。为什么世界上诸种事物彼此不一样呢?原子论回答说，这是因为组成他们的原子在形状、大小、数量上不一样。这个回答看似平常，但非同一般。我们知道，世界上丰富多彩的事物之所以难于统一，原因在于，它们彼此之间有质的区别。原子论把这些质的区别还原成一些量上的差异，就使统一的自然界可以用数学科学来描述。我们知道在今天，数学对于自然界是必不可少的，之所以会这样，因为有原子论这样的思想基础。

原子论在古希腊时代只是一种思辨的产物，主要是一种哲学理论，不是科学理论。德谟克利特本人并不是科学家。但作为一种杰出的科学思想，原子论有其重要的历史地位。近代科学重新复兴了原子论，并在实验基础上构造了物质世界的原子结构。今天，“原子”不再是一种哲学的思辨，而是一个科学概念。

20世纪，人们对于原子核的内部组成又有了新的发现，这一切科学成就都源于古希腊原子论者的天才构想。

3．化学原子论

1803年，英国化学家道尔顿将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学原子论。1808年，道尔顿出版《化学哲学的新体系》，系统地阐述了他的化学原子论。主要观点如下：

(1)所有物质都是由非常微小的、不可再分的物质粒子即原子组成的；

(2)同种物质的原子其质量、大小和形状都相同，不同元素的原子不同，主要表现为质量的不同；

(3)原子不能被分割；

(4)原子是元素参加化学变化的最小单位，在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会被创造或消失。

道尔顿还以他的原子论为指导，对由当时已发现的43种元素所组成的2 000多种化合物进行了实验分析，并于1826年完成了对于上述43种元素的相对原子质量的测定工作，根据实验结果发表了新的相对原子质量表。以现代的眼光看，除少数元素外，道尔顿给出的大部分元素数据还是比较正确的。道尔顿不是那种天资卓著的人，但他勤奋、刻苦、百折不挠。以他做气象观测记录一事为例，从21岁开始做气象观测以来，直到他临终的前一天，他从未停止过气象记录。在他生命的最后一天他仍顽强地记下了那天的气压和温度数据，在“微雨”两字的旁边，是一大滴的墨迹，说明此时的科学家实际上已很难控制自己的行动了。道

尔顿提出的原子论，实质是在哲学思维的基础上建立起来的。在提出原子论后，他还用原子论解释了很多现象。

4．汤姆生原子结构模型

英国科学家汤姆生的原子结构模型在1910年之前是影响最大的一种。

1879年，年轻的汤姆生证明阴极射线为一束带负电的粒子。1897年，汤姆生用威尔逊云雾室测定了该粒子的电量和质量，这种粒子就是电子。电子的发现使人们开始认识到原子并非是不可再分的实心球体。汤姆生对原子结构进行了长期的研究，于1904年发表论文，题为“论原子的构造：关于沿一圆周等距分布的一些粒子的稳定性和振荡周期的研究”。在这篇论文里，他运用经典力学理论，根据电荷之间的作用力，进行了大量计算，求证电子稳定分布所应处的状态。他假设原子带正电的部分像“流体”一样均匀分布在球形的原子内，而负电子则嵌在球体的某些固定位置。电子一方面要受正电荷的吸引，一方面又要自相排斥，因此必然有一种状态可使电子平衡。他证明这些电子必然组成球，然而6个以上的电子不能稳定在一个环上，数目更多的就要组成两个以上的环。汤姆生还借助磁棒吸引水面上漂着的磁针，用模拟实验方法证明自己理论的正确性。

由此，汤姆生认为，正电荷均匀地分布在原子之中，而电子就像是葡萄干面包中的葡萄干一样散布在原子的正电荷之中，这就是原子结构的第一个模型——葡萄干面包式模型。

5．卢瑟福原子结构模型

1911年，英国物理学家卢瑟福和他的学生做了一系列实验：当用一束平行的a粒子轰击金箔时，发现绝大多数a粒子穿过金箔不改变行进方向，只有极少数的a粒子产生偏转，其中个别的甚至反方向折回。这一实验现象使卢瑟福感到很惊奇，因为根据当时对原子的认识水平来看，a粒子束发生轻微的偏斜是意料中的事，但几乎直接从金箔弹回却完全是意外的。为此卢瑟福在实验室一直研究了二十多天，发现绝大部分a粒子穿过金箔时不改变行进方向，每8 000～10 000个a粒子中才有一个大角度散射或反方向折回。根据这一实验结果卢瑟福作出推理，若是正电荷均匀分布在原子内，a射线只能以小角度散射，原子中若有核而正电荷集中于此，a粒子撞击到核上才可能会以大角度散射或反方向折回。

根据a粒子散射实验，卢瑟福提出含核原子结构模型。他的主要观点是：

(1)每一个原子都有一个体积极小、极密实的核；

(2)原子核占有全部正电荷和几乎全部的原子质量；

(3)原子核被一个体积很大的几乎什么也没有的空间包围着；

(4)原子核外的空间里极稀疏地散布着电子，其总电荷数恰好与原子核中的正电荷相等。

这便是卢瑟福的原子结构模型。在这模型里，他把原子描绘成一个微小的，致密的，带正电荷的核被离核有相当大距离、但仍在原子内部的、以不可想像的速度快速运动着的电子所包围的粒子。为了避免原子中的电子因原子核的静电吸引而落到核上，他提出了电子绕核作高速运动的“行星绕太阳”式的原子模型。原子核和核外电子的区分是卢瑟福原子结构模型的重要发现。但这一设想仍服从于经典力学体系，所以在解释原子稳定性和光谱规律性上同样遇到难以逾越的困难。

6．玻尔原子结构模型

在卢瑟福研究原子结构有核模型时，玻尔在英国留学并在卢瑟福手下工作，他认识到卢瑟福模型使物质性质分类大大简化。玻尔把化学、放射性和光谱学方面的实验事实与原子结构模型联系在一起，在研究原子光谱产生的原因中发展了原子结构理论。他认为普朗克(M．Planck，1858～1962)的量子假设可以作为描写原子结构的基础，因而大胆地引入了普朗克的量子假设，创立了原子结构理论。应用这一概念，任何原子所发射的光的频率可以用这个原子的特征能级之差表示。这些频率与普朗克常数的乘积可以看作是这个原子轨道的能量

差，这就成功地解决了光谱学的一些实验规律。但是，中心问题是要说明怎样描写这些原子轨道，玻尔作了一个大胆的假设。他假设电子具有的能量和所在轨道的半径是量子化的。量子能级的意思就是原子中的电子在任一瞬间可以具有某个不连续的能量，而决不可能具有那些不连续能量的某一中间能量。

1913年玻尔在卢瑟福原子结构模型的基础上，提出了新的原子模型，其要点如下：

(1)在原子中，电子不能沿着任意轨道绕核旋转，而只能沿着符合一定条件(从量子论推导出的条件)的轨道旋转。电子在这种轨道上运动时，不吸收或放出能量，处于一种稳定状态。

(2)原子中的电子在不同轨道运动时可具有不同的能量，电子运动时所处的能量状态称为能级(energy level)。电子在轨道上运动时所具有的能量只能取某些不连续的数值，也就是说电子的能量是量子化的。

(3)只有当电子从某一轨道跃迁到另一轨道时，才有能量的吸收或放出。当电子从能量较高(E。)的轨道跃迁到能量较低(E。)的轨道时，原子就放出能量。放出的能量转变为1个辐射能的光子，其频率可由两个轨道的能量差决定。

玻尔提出的原子结构模型，揭示了光谱线与原子结构的内在联系。由于这一开拓性的贡献，玻尔获得了1922年诺贝尔物理学奖。

7．原子的量子力学模型

当然，玻尔的原子结构模型理论也不是十分完美，在解释氢以外的多电子原子的光谱线时，就只能做出近似的估计，无法定量计算。法国物理学家德布罗意(L．de Brogie，1875～1960)、奥地利物理学家薛定锷(E．Schrodinger，1887～1961)和德国物理学家海森伯(w．Heisenberg，1901～1976)等人，经过13年的艰苦修改、验证、论证，终于在1925～1926年，在玻尔原子结构模型的基础上发展成为原子的量子力学模型，其核心是薛定锷波动方程。该模型已经经受了半个多世纪的考验。 ．

原子的量子力学模型包括了玻尔所采用的量子化能级的概念，即主量子数(主层)，此外，还提出其他量子数以说明电子的能量，如亚层和轨道数。由于电子属于微观粒子，具有波粒二象性，它在核外的运动速度可以与光速相比，很难同时准确地测定它的速度和位置，只能用统计的方法来描述，因而引进了“电子云”的概念。

8．放射性同位素的应用

放射性核素与稳定性核素的显著区别在于它具有核辐射的特性。某些原子的原子核不稳定，能够发生核反应，生成不同原子序数或质量数的其他原子。这称为放射性衰变(radioac—

tivedeeay)。在放射性衰变过程中，放射性原子的原子核释放高速运动的粒子(a粒子、p粒子和7射线)和能量。

这种放射性会对人体产生极大的伤害，但放射性同位素在科学研究和生产上都有着广泛的应用。

14 考古学根据放射性核素测定化石的年龄如，C被称为大自然的“钟表”，应用于考古14研究中。这是因为C具有放射性，由于其放射性，约每隔5 568年，他的质量就会减少一14半，这一时间叫C的“半衰期”。地球上的生物，在其活着的时候，总在不停地从外界吸入14碳元素，其中C按比例地摄入体内。但当其死亡后，就与外界停止了物质交换。所以只需14测一下古生物体内的C含量，就可判断其生活的年代。

医学上应用放射性核素进行“放疗”如，；；co是恶性肿瘤的“克星”，17 g!；co的放射能力与1 kg Ra(镭)相当。它的射线能破坏癌细胞的快速繁殖，医学上利用筹co放出的7射线作为放射源，来照射肿瘤，将癌细胞杀死。这种手段在医学上叫做“放疗”。又如，-s-I可以治疗患甲状腺肿瘤的病人。甲状腺在人的颈部，可以控制营养物质的吸收速率。由于甲状腺中富含碘，因而放射性的均’I集中在甲状腺中，其放射出的射线可杀死腺体中的病变

细胞，而不影响人体的其他组织。

放射性标记化合物放射性标记化合物是指由放射性核素取代化合物分子中的一个或几个原子(或原子团)，使之易于识别并可用作示踪的物质。这种方法在很多领域都有重要应用。如，化学合成标记、生物合成标记、同位素交换标记等。

另外，原子的放射性在其他很多领域都有很大的使用价值。如农业上常用：；co辐射来育种、刺激增产等；在食品上可用其辐射来保鲜、防腐；在工业上用于无损伤、厚度和密度测定及生产流水线的自动控制。