普通化學/原子結構/亞原子粒子

粒子性質

在學習亞原子粒子之前，應該理解一些基本性質。

電荷

粒子可能帶電。電荷是一種性質，它定義了粒子對其他帶電粒子的作用力。有一句眾所周知的諺語完美地適用於此："異性相吸。"（同樣，同性相斥。）正電荷和負電荷會相互吸引並結合在一起。兩個正電荷或兩個負電荷會相互排斥。

有用提示！
並非所有粒子都帶電。

粒子的電荷量用庫侖來衡量，但更方便地用整數表示。例如，一個比正常少2個電子的氦離子帶+2的電荷，而一個比正常多1個電子的溴離子帶-1的電荷。（這可能看起來很反常，但請記住電子帶負電荷。）注意，電荷不僅適用於亞原子粒子，還適用於離子和其他事物。始終記得指定電荷是正的還是負的。與普通數字不同，我們總是為正電荷寫加號，以避免與負電荷混淆。

質量

質量是慣性的大小。從亞原子角度來看，質量也可以用能量來理解，但這與化學無關。粒子、原子和分子的質量不是用克來衡量，而是用原子質量單位或amu來衡量。有關質量和amu的更多資訊，請閱讀之前關於物質性質的章節。

原子核

一個原子（不成比例）

每個原子的中心都存在原子核。它非常小：如果你把一個平均原子（本身大小微不足道）擴大到足球場的大小，那麼原子核大約只有彈珠那麼大。然而，它卻驚人地緻密：儘管它只佔原子體積的極小比例，但它卻包含了原子幾乎全部的質量。原子核在正常條件下幾乎從不改變，在化學反應中保持不變。原子核本身由一對更小、更緻密的粒子組成，即質子和中子。這些粒子統稱為核子。

質子

質子帶正電荷（+1），質量為1 amu。它們通常用$p$ 表示。

學習酸鹼時，質子很重要——它們是酸的本質。記住，原子中的質子數就是它的原子序數，它決定了原子屬於哪種元素。原子核中質子的數量從一個到一百多個不等。

以氫元素為例，它的原子序數為1，所以它有一個質子和一個電子。如果它被製成離子（缺少或多餘電子的原子），它將只是一個質子。因此，質子就是氫原子的原子核，質子就是氫離子。所以，質子可以寫成${\text{H}}^{+}$ 或$_{1}^{1}{\text{H}}^{+}$，這兩個符號都代表氫離子。

中子

中子不帶電荷，質量為1 amu。中子比質子略重，但差異可以忽略不計。中子通常用$n$ 表示。

我們的物理學家朋友們說，中子和質子是由更小的粒子——夸克組成的。幸運的是，我們不需要了解夸克，因為夸克不會影響化學。相反，夸克屬於量子力學領域。

與質子不同，中子不能無限期地存在於原子核之外，因為它們會變得不穩定並分解。一個原子核中可以有很多質子和中子，它們彼此靠近。原子核中中子的數量從零到一百多個不等。

你可能想知道為什麼存在中子。它們不帶電荷，那它們能做什麼呢？答案是肯定的——中子非常重要。記住，異性相吸，同性相斥。那麼，幾個質子如何在原子核中緊密地聚集在一起呢？似乎質子會相互排斥，導致原子核散開。然而，有一種強核力將原子核束縛在一起。這種不可思議的力量使核子之間的吸引力比電力的排斥力大得多，但只在極短的距離內起作用。

質子和中子數量之間存在著微妙的平衡。質子透過強核力相互吸引，但同時又因其電磁電荷而相互排斥，它們不能在原子核中大量存在，如果沒有中子的穩定作用，中子透過強核力相互吸引，但它們不帶電荷。相反，中子將它們固有的不穩定性賦予原子核，過多的中子會使原子核不穩定。

最後，中子在核反應中非常重要，例如核電站中使用的核反應。中子就像一顆子彈，可以分裂原子的原子核。由於它們不帶電荷，中子既不被原子和離子吸引，也不被它們排斥。

電子雲

在緻密的原子核周圍是一個電子雲。電子帶負電荷（-1），質量為0 amu。這並不意味著它們沒有質量。電子確實有質量，但它太小了，對原子的總質量沒有影響。電子的質量大約是質子或中子的1/1800。電子用$e^{-}$ 表示。

電子繞原子核外部執行，不受強核力的影響。它們決定了原子的化學性質，因為幾乎所有化學反應都涉及原子和分子外層電子的相互作用或交換。

電子被原子核吸引，因為它們帶負電荷，而原子核（由質子和中子構成）帶正電荷。異性相吸。然而，電子不會落入原子核。它們繞原子核以特定的距離執行，因為電子具有一定的能量。這種能量阻止它們靠得太近，因為它們必須保持特定的速度和距離。電子能級發生變化會導致不同的現象，如譜線、物質的顏色以及離子的產生（缺少或多餘電子的原子）。

電子相互作用

原子始終具有相同數量的質子和電子，因此它們的總電荷為零。原子是中性的。另一方面，離子是獲得或失去電子的原子，現在質子和電子的數量不相等。如果有額外的電子，離子將帶負電荷。如果缺少電子，離子將帶正電荷，因為正質子佔多數。

價電子（最外層的電子）負責原子在化學鍵中的行為。核心電子是所有不在最外層殼層的電子，它們很少參與反應。原子會試圖填滿它的價層。當原子有八個價電子時就會發生這種情況（在下一章中解釋），因此原子會經歷化學鍵來共享、給出或獲取它需要的電子。例如，鈉很可能放棄它唯一的價電子，使其外層為空（它下面的層是滿的）。氯很可能接收一個電子，因為它有七個，想要八個。當鈉和氯混合時，它們交換電子，形成氯化鈉（食鹽）。因此，兩種元素都具有完整的價層，形成了非常穩定的化合物。