A-level 化學/OCR/原子結構
“原子”這個詞來自希臘語，意思是“不可分割”。原子是化學元素的最小粒子，它保留了該元素的化學性質。原子由亞原子粒子組成，為了理解原子的行為，我們首先必須瞭解它的組成粒子。
電子是微小的帶電粒子。它們帶負電，質量很小，存在於原子核周圍的空曠空間中，原子核包含所有其他粒子。在元素狀態下，原子不帶電，它們擁有的電子數量與質子數量相同。電子可以表現為粒子，也可以表現為波；這被稱為物質的波粒二象性。它只對與原子粒子大小相似的物體有意義。電子存在於不同的能級或軌道上，優先填充最低能級。
質子比電子大得多。它們的質量是電子的 1836 倍，它們的正電荷與電子的負電荷大小相等，方向相反。
中子是最後被發現的核粒子。它們不帶電，因此不會被磁場偏轉。它們的質量幾乎與質子相同，原子核中通常中子的數量比質子多，但它們也可以相等。
原子通常用兩個關鍵數字來描述，即它們的原子序數和它們的質量數。
原子核中質子的數量是原子最重要的方面。這個數字決定了原子屬於哪個元素。原子的原子序數可以告訴你：
- 原子核中質子的數量
- 當原子呈中性時，它擁有的電子數量
- 原子在元素週期表中的位置
原子的大部分質量來自原子核。由於我們知道質子的質量幾乎等於中子的質量，所以我們可以用原子核中粒子的數量來衡量原子的質量。質量數可以告訴你：
- 原子核中粒子的總數
- 原子核中中子的數量（記住減去原子序數）
- 原子的相對原子質量
| 粒子名稱 | 相對質量（統一原子質量單位） | 質量（kg） | 相對電荷 |
| 電子 | 1/1836 | 9.11*10-31 | -1 |
| 質子 | 1 | 1.67*10-27 | +1 |
| 中子 | 1 | 1.67*10-27 | 0 |
同位素是原子序數相同但質量數不同的原子。
同位素的表示方法如下：
AZXY
其中 A 是質量數，Z 是原子序數，Y 是原子的電荷，X 是該元素的符號。
例如，氫有三種同位素。
| 名稱 | 氕 | 氘 | 氚 |
| 符號 | 11H | 21H | 31H |
| 質子 | 1 | 1 | 1 |
| 中子 | 0 | 1 | 2 |
從同位素符號中計算出每個亞原子粒子的數量相當簡單。舉一個簡單的例子，讓我們看看一個鈣離子：
4020Ca2+
質子的數量等於 Z。
中子的數量等於 A - Z。
中性原子中的電子數量等於 Z。
正離子中的電子數量等於 Z - Y。
負離子中的電子數量等於 Z + Y。
根據這些規則，你應該能夠算出鈣-40 離子有 20 個質子、20 箇中子和 18 個電子。
原子的大部分行為由其電子的相互作用決定。當你坐在椅子上時，阻止你穿透椅子的力量是構成椅子的原子中的電子和構成你身體的原子中的電子之間的排斥力。
為了理解化學反應，你必須理解電子在原子中的存在方式。我們對電子的許多瞭解來自量子理論，該理論指出電子可以用四個量子數來描述。你只需要知道的是主量子數，它描述了電子的能級。
在你學習的 GCSE 化學中，你已經接觸過以電子層形式出現的 主量子數。該數字用符號 n 表示，因此，如果我們說“電子處於 n = 3”，這意味著“電子處於第三層或能級”。每個能級都可以容納一定數量的電子。
| n= | 最大電子數 |
| 1 | 2 |
| 2 | 8 |
| 3 | 18 |
在 GCSE 中，你會被教導用這種方式表示原子的電子排布
例子
鋰（3）：2,1 鈉（11）：2,8,1
在 AS 級別，我們更深入地研究，將電子層細分為多個亞層。一對電子被稱為原子軌道。
s 亞層容納 2 個電子（或 1 個軌道），
p 亞層容納 6 個電子（或 3 個軌道），
d 亞層容納 10 個電子（或 5 個軌道），
f 亞層容納 14 個電子（或 7 個軌道）。
亞層的排列順序如下
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, ....
請注意，4s 軌道在 3d 軌道之前填充！！
這聽起來很嚇人，但透過練習你會學會正確的順序。你只需要記住亞層出現的順序以及每個電子層容納的電子數量。
為了表示電子排布，你只需寫出該順序，將每個亞層中的電子數量作為上標。
因此，氫-1（1）就是 1s1
鋰（3）是 1s22s1
鈉（11）是 1s22s22p63s1
軌道也具有配對的自旋，一個逆時針旋轉，一個順時針旋轉。你可以透過在方框中畫一個向上箭頭和一個向下箭頭來表示這一點。你必須記住，如果在考試中被要求繪製圖表，那麼在每個電子層（例如 2p）上，你總是先用一個方向的箭頭填充 3 個軌道（例如，先用向上箭頭填充所有 3 個方框，然後再填充向下箭頭）。因此，如果 2p 亞層中只應該有 2 個電子，那麼在 2 個不同的軌道中畫 2 個向上箭頭，不要在一個軌道中畫一個向上箭頭和一個向下箭頭。
化學家對能級存在的最好證據來自電離能。
原子在失去電子時會電離。移除電子的能量被稱為電離能。當從原子中移除每個電子時，所需的電離能會增加，因此我們將移除第一個電子所需的能量稱為第一電離能，移除第二個電子所需的能量稱為第二電離能，以此類推。更準確地說，第一電離能是將一摩爾電子從一摩爾氣態單原子元素中移除所需的能量。第二電離能是將一摩爾電子從一摩爾氣態離子中移除所需的能量，這些離子每個都帶有一個正電荷。