第八原子结构自然界的物质种类繁多，性质各异。
不同物质在性质上的差异是由于物质内部结构不同而引起的。
大多数物质由分子组成，分子又由原子组成。
在化学反应中，原子核不变，起变化的只是核外电子。
要了解物质的性质及其变化规律，有必要先了解原子结构，特别是核外电子的运动状态。
第一节原子的组成一、原子的组成19世纪初，英国科学家道尔顿（J.Dalton）提出了原子论，认为物质是由不可再分的原子组成。
使19世纪的人们几乎都认为原子不可再分，直到19世纪末电子和放射性的发现，人类才舍弃了原子不能再分割的传统观念。
20世纪初期，英国物理学家卢瑟福（Rutherford E）利用α粒子散射实验确认了原子核的存在，建立了原子结构的行星模型：电子绕原子核运动，好比太阳系中的行星运动那样。
通过众多科学家的不断探索，使人们通过科学实验认识了原子的内部结构：原子（atom）是由原子核和核外电子组成，原子核(atomic nucleus)带正电，核外电子带负电，一个电子带一个单位负电荷；原子核由质子和中子组成，一个质子(proton)带一个单位的正电荷；质子数等于原子核所带电荷数；中子(neutron)不带电；整个原子是中性的。
为了研究方便，人们将元素按核电荷数由小到大排列成序，形成的序号称为原子序数(atomic number)。
显然，原子序数在数值上等于这种原子的核电荷数。
在原子中存在以下关系：原子序数＝核内质子数＝核电荷数＝核外电子数例如：6号碳元素，其原子的核电荷数为6，原子核内有6个质子，核外有6个电子质子的质量为1.6726⨯10-27kg,中子的质量为1.6748⨯10-27kg。
由于质子、中子的质量很12原子质量的小，计算不方便，所以通常用它们的相对质量。
相对原子质量衡量的标准为C1/12，其质量为1.6606⨯10-27kg。
质子和中子对它的相对质量分别为1.007和1.008，取近似整数值为1。
由于电子的质量很小，约为质子质量的1/1836，所以在原子的质量中，电子的质量可以忽略不计，所有原子的质量主要集中在原子核上。
接近于整数，约为质子和中子数目之和，称为原子的质量数（mass number ），用符号A 表示质量数，用Z 表示质子数，用N 表示中子数，则得到：原子的质量数（A ）＝质子数（Z ）＋中子数（N ）以X A Z 代表一个质量数为A 、质子数为Z 的原子，现将组成原子的粒子间的关系归纳如下：原子(X A Z )⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧-个核外电子个中子（个质子原子核Z Z A Z )如Cl 3517,C 126,Na 2311等。
质量数和核电荷数是表示原子核组成的两个基本量。
同一元素可以有质子数相同，中子数不同的多种原子存在，如核电荷数为17的氯元素有中子数为18和20两种原子;氧元素也存在中子数为8和10两种原子。
因此，氯元素就有Cl 3517、Cl 3717两种原子，氧元素就有O 168、O 188两种原子。
二、同位素在研究原子核组成的时候，发现同种元素的原子具有相同的核电荷数，但具有不同的质量数（即不同的原子量）。
显然，质量数不同是由于中子数不等而引起的。
我们把原子核内具有相同的质子数和不同的中子数的原子，互称为同位素（isotope ）。
例如，氢元素有普通氢原子H 11（称为氕）、重氢原子H 21（称为氘）和超重氢原子H 31（称为氚）三种原子互为同位素，它们的原子核里都只含有一个质子，原子序数都为1，但普通氢原子核里不含有中子，重氢原子含有一个中子，超重氢原子含有两个中子。
因此，它们具有不同的质量数。
前面提到的氯元素、氧元素的不同原子都分别为它们的同位素。
在周期表中，几乎所有的元素都有同位素，只是同位素的数目各不相同，碳元素的同位素有C 126、C 136和C 146，其中C126就是人们将其质量的1/12作为相对原子质量标准的碳原子，亦可表示为C – 12；碘元素的同位素有I 12753、I 13153；钴元素的同位素有Co 5927、Co 6027等。
由于同一元素的各种同位素原子，它们的核电荷数（质子数）相同，核外电子数相同，而中子数不同，质量数不同，它们的物理性质有差异，但化学性质几乎完全相同。
天然存在的绝大多数元素里，各同位素的相对含量是固定的。
通常所说的某元素的相对原子质量是按其同位素依一定比例所表现的平均原子量，这就是许多元素的原子量不是整数的原因。
例如，普通的氯由Cl 3517占75.53%和Cl 3717占24.47%两种同位素所组成的。
故氯的平均原子量为：35⨯75.53%+37⨯24.47%=35.45即氯元素的相对原子质量是35.45。
同位素按它们的性质可以分为稳定性同位素和放射性同位素两类。
放射性同位素放出的射线是从原子核中放出的，它是一种原子核反应的产物。
放射性同位素原子核反应的结果，一方面放出各种射线，另一方面转变成另一种元素。
这种变化叫做元素的衰变。
放射性同位素和稳定性同位素的化学性质相同，不过放射性同位素能放出一定的射线，这是稳定性同位素所没有的。
放射性同位素放出来的射线，很容易被灵敏的探测仪器所发现和测定。
放射性同位素跑到哪里都可以用仪器找到它的踪迹，因而我们称放射性同位素的原子为“示踪原子”。
放射性同位素在科技发展和经济建设中有很重要的用途。
目前在医药领域已广泛应用放射性同位素作诊断和治疗。
例如，正常人甲状腺吸碘量是一定的，若甲状腺发生病变，则吸碘量也随之改变。
让病人服用少量含有放射性I 13153的制剂，然后在甲状腺附近用探测仪测量I 13153放出的射线强弱，就可以帮助诊断治疗甲状腺的病变；Co 6027放出的射线能深入组织，对癌细胞有破坏作用；C 146含量的测定可推算文物和化石的“年龄”；用放射性同位素作示踪原子，研究药物的作用机制，药物的吸收和代谢等。
近几年来，放射性同位素的应用得到迅速发展，如放射性同位素扫描，已成为诊断脑、肝、肾、肺等病变的一种安全简便的方法。
第二节 核外电子的运动状态一、核外电子运动的特殊性我们知道，地球沿着固定轨道围绕太阳运动，地球的卫星（月球或人造卫星）也以固定的轨道绕地球运转。
这些宏观物体运动的共同规律是有固定的轨道，人们可以在任何时间内同时准确地测出它们的运动速度和所在位置。
电子是一种极微小的粒子，质量为：9.1 10-31kg，在核外的运动速度快（接近光速）。
因此电子的运动和宏观物体的运动不同。
和光一样，电子的运动具有微粒性和波动性的双重性质。
对于质量为m，运动速度为v的电子，其动量为：P=mv其相应的波长为：λ=h/P=h/mv （8-1）式（8-1）中，左边是电子的波长λ，它表明电子波动性的特征，右边是电子的动量P （或mv），它表明电子的微粒性特征，两者通过普朗克常数h联系起来。
实验证明，对于具有波动性的微粒来说，不能同时准确地确定它在空间的位置和动量（运动速度）。
也就是说电子的位置测得愈准时，它的动量（运动速度）就愈测不准，反之亦然。
但是用统计的方法，可以知道电子在原子中某一区域内出现的几率。
图8-1氢原子五次瞬间照像图8-2若干张氢原子瞬间照片叠印电子在原子核外空间各区域出现的几率是不同的。
在一定时间内，在某些地方电子出现的几率较大。
而在另一些地方出现的几率较小。
对于氢原子来说，核外只有一个电子。
为了在一瞬间找到电子在氢原子核外的确切位置，假定我们用高速照相机先给某个氢原子拍五张照片，得到图8-1所示的五种图象，⊕代表原子核，小黑点表示电子。
如果给这个氢原子照几万张照片，叠加这些照片（图8-2）进行分析，发现原子核外的一个电子在核外空间各处都有出现的可能，但在各处出现的几率不同。
如果用小黑点的疏密来表示电子在核外各处的几率密度（单位体积中出现的几率）大小，黑点密的地方，是电子出现几率密度大的地方；疏的地方，是电子出现几率密度小的地方，如图8-3所示。
像这样用小黑点的疏密形象地描述电子在原子核外空间的几率密度分布图象叫做电子云（electron cloud）。
所以电子云是电子在核外运动具有统计性的一种形象表示法。
图8-3氢原子的电子云图图8-4氢原子电子云界面图从图8-3中可见，氢原子的电子云是球形的，离核越近的地方其电子云密度越大。
但是由于离原子核越近，球壳的总体积越小，因此在这一区域内黑点的总数并不多。
而是在半径为53pm 附近的球壳中电子出现的几率最大，这是氢原子最稳定状态。
为了方便，通常用电子云的界面表示原子中电子云的分布情况。
（如图8-4所示）所谓界面，是指电子在这个界面内出现的几率很大（95%以上），而在界面外出现的几率很小（5%以下）。
因此把电子出现概率相等的地方连接起来，作为电子云的界面，这个界面所包含的空间范围称为原子轨道。
由此可见，原子轨道实际上就是电子经常出现的区域，与宏观的轨道有着完全不同的含义。
二、核外电子的运动状态电子在原子核外一定区域内作高速运动，都具有一定能量。
实验证明，电子离核越近，能量越低；离核越远，能量越高。
电子离核的远近，反映出电子能量的高低。
对于多电子原子，其核外电子的运动状态比较复杂，可用四个量子数（quantum number）来描述。
这四个量子数是主量子数（n）、角量子数（l）、磁量子数（m）、自旋量子数（m s）。
它们的物理意义和取值如下：（一）主量子数（n）——电子层在含有多个电子的原子里，电子的能量并不相同。
能量低的电子通常在离核近的区域运动；能量较高的电子，通常在离核较远区域运动。
根据电子的能量差异和通常运动区域离核的远近不同，可以将核外电子分成不同的电子层。
主量子数n是用来描述原子中电子出现几率最大区域离核的远近，或者说它是决定电子层数的。
主量子数的n的取值为1，2，3…等正整数。
例如，n=1代表电子离核的平均距离最近的一层，即第一电子层；n=2代表电子离核的平均距离比第一层稍远的一层，即第二电子层。
余此类推。
可见n愈大电子离核的平均距离愈远。
在光谱学上常用大写拉丁字母K，L，M，N，O，P，Q代表电子层数。
主量子数n是决定电子能量高低的主要因素。
对单电子原子来说，n值愈大，电子的能量愈高。
但是对多电子原子来说，核外电子的能量除了同主量子数n有关以外还同原子轨道（或电子云）的形状有关。
因此，n值愈大，电子的能量愈高这句话，只有在原子轨道（或电子云）的形状相同的条件下，才是正确的。
（二）角量子数（l）——电子亚层在同一电子层中，电子的能量还稍有差别，电子云的形状也不相同。
这些处在同一电子层中的电子的能量高低和电子云的形状，可以用角量子数l或电子亚层来描述。
角量子数又称副量子数，决定电子云的形状（或原子轨道的形状），也表示电子亚层。
角量子数的取值受主量子数的限制，当n给定时，l可取值为0，1，2，3…（n-1），共个n 整数值。
