知识背景
1897 年，英国物理学家汤姆生在研究阴极射线时发现了一种带负电的微粒——电子。这个发现摧毁了道尔顿的实心球模型：原子里居然有更小的东西，原子是可分的。
汤姆生随即提出了新模型：原子像一块枣糕，正电荷像糕体一样均匀分布，电子像枣子一样嵌在里面。这个模型保持了原子对外不带电的事实，看起来很合理。
1909 年，汤姆生的学生卢瑟福做了一个决定性的实验：用高速的 粒子去轰击极薄的金箔。按枣糕模型预测， 粒子应该像子弹穿过棉花一样，只发生很小的偏转。结果绝大多数粒子确实直穿而过，但约八千分之一的粒子发生了大角度偏转，个别甚至被直接弹回。
卢瑟福后来回忆：「这就像你用一枚十五英寸的炮弹去打一张纸，炮弹却被弹回来打中了你。」他花了两年想明白其中的道理，最终提出：原子内部几乎全是空的，全部正电荷和几乎全部质量集中在中心一个极小的核里。
知识讲解
原子结构模型的演变
| 时间 | 提出者 | 模型 | 依据或突破 |
|---|---|---|---|
| 1803 | 道尔顿 | 实心球模型 | 原子是不可再分的实心小球 |
| 1904 | 汤姆生 | 枣糕模型 | 发现了电子，原子可分 |
| 1911 | 卢瑟福 | 核式结构模型 | 粒子散射实验 |
| 1913 | 玻尔 | 分层模型 | 电子在不同轨道上分层运动 |
| 现代 | —— | 电子云模型 | 电子的位置只能用概率描述 |
这条线索本身就是一道必考题：每一次模型更替，都是因为出现了旧模型解释不了的新实验事实。
卢瑟福实验的三个现象与结论
- 绝大多数 粒子直线穿过，方向不变 → 原子内部绝大部分是空的。
- 少数粒子发生较大角度偏转 → 内部存在一个带正电的核，同种电荷相互排斥。
- 极少数粒子被反弹回来 → 这个核的质量很大、体积极小。
原子的结构
原子由原子核和核外电子构成；原子核又由质子和中子构成。
| 微粒 | 带电情况 | 位置 |
|---|---|---|
| 质子 | 每个带 1 个单位正电荷 | 原子核内 |
| 中子 | 不带电 | 原子核内 |
| 电子 | 每个带 1 个单位负电荷 | 核外空间 |
核电荷数 = 质子数 = 核外电子数（原子对外不显电性，即电中性）。
原子核的直径只有原子直径的十万分之一左右，但原子的质量几乎全部集中在原子核上（电子质量约为质子的一千八百分之一，可忽略）。打个比方：若把原子放大成杭州奥体中心体育场，原子核只有场中央的一粒芝麻。
- 核电荷数：原子核所带的正电荷数，数值上等于质子数。
- 质子数决定了原子属于哪种元素，这是元素的身份证。
- 中子数不影响元素种类，但影响原子的质量；同种元素的原子中子数可以不同。
- 注意：中子数与质子数不一定相等，也不存在什么固定比例。
离子的形成
原子在化学变化中得到或失去电子，就变成带电的微粒——离子。
- 原子失去电子 → 电子数少于质子数 → 带正电 → 阳离子（如 、、）
- 原子得到电子 → 电子数多于质子数 → 带负电 → 阴离子（如 、）
阴、阳离子相互吸引，可以构成物质，例如氯化钠由 和 构成。
得失电子只改变电子数，质子数不变，所以离子与原子属于同一种元素。
同位素
质子数相同、中子数不同的同一类原子互称同位素。
它们是同一种元素（质子数相同），但原子的质量不同。例如氢有三种同位素：氕（ 个质子、 个中子）、氘（ 个质子、 个中子）、氚（ 个质子、 个中子）。
放射性同位素的应用：碳 测定文物年代（良渚遗址的年代就靠它测定）、钴 治疗肿瘤、同位素示踪法研究植物对肥料的吸收路径、辐照保鲜与消毒。
实验与探究
卢瑟福用 粒子（带正电，质量约为电子的七千倍）轰击极薄金箔。请分析：①为什么选用极薄的金箔？②为什么整个装置要放在真空中？③若原子内正电荷像枣糕模型那样均匀分布，会看到什么现象？
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第一步：分析用极薄金箔的原因，依据要让绝大多数粒子只经历一次或极少次相互作用。金箔厚则粒子要穿过很多层原子，多次偏转叠加会让结果无法解释；用极薄金箔（约几千个原子厚）可保证偏转主要来自单次碰撞，结论才可靠。同时金的延展性极好，能压得足够薄。第二步：分析真空的必要性。若有空气， 粒子会与空气分子碰撞而偏转，这属于干扰因素；抽成真空后，观察到的偏转就只能归因于金原子，这是控制变量的要求。第三步：预测枣糕模型下的现象，依据均匀分布的正电荷对粒子的作用处处微弱且方向分散：所有 粒子都只会发生很小的偏转，不可能出现大角度偏转，更不可能被反弹。第四步：把预测与事实对照。实际观察到了大角度偏转和反弹，与枣糕模型的预测矛盾，因此枣糕模型必须被推翻。第五步：答：①用极薄金箔保证单次碰撞，结论可靠；②真空是为排除空气分子的干扰；③按枣糕模型只会有小角度偏转，不会有大角度偏转和反弹，事实与之矛盾故模型被否定。
经典例题
已知某微粒的质子数为 。①若核外电子数为 ，它是什么微粒？②若核外电子数为 ，它是什么微粒，带几个单位电荷？③另有一微粒质子数 、中子数 ，它与①中的微粒（中子数 ）是什么关系？
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第一步：明确判断依据——质子数等于核外电子数时为原子，不相等时为离子；质子数决定元素种类。第二步：分析①。质子数 等于电子数 ，故为原子；质子数 对应的元素是镁，所以它是镁原子。第三步：分析②。电子数 少于质子数 ，说明失去了 2 个电子；失电子则带正电，故为阳离子。所带电荷数 ，即带 2 个单位正电荷，符号写作 。第四步：分析③。两个微粒的质子数都是 （同一种元素，都是镁），但中子数不同（一个 、一个 ），符合同位素的定义，故二者互为同位素。第五步：答：①镁原子；②带 2 个单位正电荷的镁离子 ；③二者互为同位素，是同一种元素的不同原子。核心口诀：质子数定元素，电子数定电性，中子数定质量。
难点与易错点
- 认为原子核就是原子的全部：原子核极小，原子内部绝大部分是空的，电子在核外广阔空间运动。
- 认为中子数等于质子数：两者没有必然关系，同种元素的不同同位素中子数就不同。
- 认为原子的质量主要由电子贡献：电子质量极小可忽略，质量几乎全在原子核上。
- 说「原子不带电是因为没有电荷」：原子内有正、负电荷，只是数量相等相互抵消，所以对外不显电性。
- 认为离子与原子是不同元素：得失电子不改变质子数，故属同一种元素。
- 把「失电子」记成带负电：失去带负电的电子，剩下正电荷占多数，所以带正电。
- 认为同位素是不同元素：同位素质子数相同，是同一种元素的不同原子。
- 把汤姆生和卢瑟福的贡献记混：汤姆生发现电子、提出枣糕模型；卢瑟福做散射实验、提出核式结构模型。
生活中的应用
- 良渚古城遗址的年代测定：靠碳 这种放射性同位素的衰变规律，推算出遗址距今约五千年，为申遗提供了关键证据。
- 医院的核医学检查：注入极微量的放射性同位素作示踪剂，用仪器追踪它在体内的分布，可发现早期病变。
- 同位素示踪研究茶树施肥：给肥料中的氮标上同位素，就能查清氮元素究竟被茶树的哪些部位吸收，从而精准调整施肥。
- 烟雾报警器与辐照保鲜：前者利用微量放射源使空气电离，后者用射线杀灭微生物延长食品保鲜期。
生活应用题 1 · 同位素示踪与龙井茶园的精准施肥
农科所要研究龙井茶树对氮肥的吸收效率，用含有氮的同位素（质子数 、中子数 ）的肥料施于茶园，再检测茶树各部位。①这种氮原子与普通氮原子（质子数 、中子数 ）是什么关系？②它们的化学性质是否相同，为什么？③这种研究方法的原理是什么？
分步解：
- 判断两者关系，依据质子数相同、中子数不同的同类原子互为同位素：两者质子数都是 、中子数分别为 和 ，故互为同位素，属于同一种元素（氮）。
- 判断化学性质，依据元素的化学性质主要由核外电子的排布决定，而电子数等于质子数：两者质子数相同故电子数相同、排布相同，因此化学性质几乎完全相同，茶树对它们的吸收方式没有区别。
- 说明差异所在：中子数不同使两者的原子质量不同，因而可以用仪器区分开——这正是示踪法能成立的前提。
- 概括研究原理：因为化学性质相同，标记原子会像普通氮原子一样被茶树吸收、转运；又因质量可辨，检测各部位中标记原子的多少，就能追踪氮元素的去向和分配比例，从而算出吸收效率。
- 答：①互为同位素，是同一种元素；②化学性质相同，因为电子数与排布相同；③利用「化学性质相同便于跟随、质量不同便于辨认」的特点追踪元素去向。
生活应用题 2 · 自来水消毒与离子的形成
杭州自来水厂用氯气消毒。氯原子的质子数为 ，在反应中容易得到 1 个电子。①写出所形成离子的符号并说明带电情况；②该离子与氯原子是否属同一种元素，理由是什么？③钠原子质子数 ，容易失去 1 个电子，它与氯离子结合成什么物质？
分步解：
- 分析得电子的结果，依据原子得到电子后电子数多于质子数而带负电：氯原子得到 个电子后，电子数为 ，质子数仍为 ，故带 1 个单位负电荷，是阴离子，符号为 。
- 判断元素归属，依据质子数决定元素种类：氯离子与氯原子的质子数都是 ，所以属于同一种元素（氯元素），只是带电情况不同。
- 分析钠原子失电子：失去 个电子后电子数为 ，少于质子数 ，带 1 个单位正电荷，是阳离子 。
- 判断结合产物，依据阴、阳离子相互吸引可构成物质，且正负电荷总数必须相等：一个 与一个 按 结合，生成氯化钠，化学式为 。
- 答：①，带 1 个单位负电荷；②属同一种元素，因为质子数都是 ；③与 按 结合成氯化钠 。
考点
- 科学史·高频：原子结构模型的演变顺序及每次更替的实验依据
- 简答题·高频： 粒子散射实验的三个现象与对应结论
- 计算辨析·高频：由质子数、电子数判断原子还是离子、带几个单位电荷
- 概念题·高频：核电荷数 = 质子数 = 核外电子数，原子呈电中性的原因
- 选择题：同位素的判断（质子数相同、中子数不同）
- 简答题：离子的形成过程（得失电子），阳离子与阴离子的区分
- 应用题：放射性同位素在测年、医疗、示踪中的应用
- 易错辨析：中子数与质子数无固定关系；原子质量集中在原子核
中考真题
某微粒的质子数为 、中子数为 、核外电子数为 。下列判断正确的是（ ）A. 它是硫原子 B. 它带 2 个单位正电荷 C. 它是阴离子，带 2 个单位负电荷 D. 它与质子数 、中子数 的微粒不属同一种元素
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逐项分析：A 错，电子数 不等于质子数 ，不是原子而是离子；B 错，电子数多于质子数说明得到了电子，带负电；C 对，多出 个电子，故为带 2 个单位负电荷的阴离子（硫离子 ）；D 错，两者质子数都是 ，属同一种元素，互为同位素关系。答案：C。
卢瑟福在 粒子散射实验中发现，绝大多数 粒子穿过金箔后方向不变，极少数发生大角度偏转甚至被反弹。①这两个现象分别说明了什么？②由此他否定了哪个模型、提出了什么模型？
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第一步：分析「绝大多数直穿」，依据粒子未受明显作用力说明沿途几乎没有障碍：说明原子内部绝大部分空间是空的， 粒子可以畅通穿过。第二步：分析「极少数大角度偏转和反弹」。 粒子带正电，能被强烈排斥掉头，说明原子中心有一个带正电的核；能把质量远大于电子的 粒子反弹回来，说明这个核质量很大；而这种情况极少发生，说明核的体积极小。第三步：说明被否定的模型，依据枣糕模型认为正电荷均匀分布，那样只会产生小角度偏转，与大角度偏转的事实矛盾，故汤姆生的枣糕模型被否定。第四步：陈述新模型。卢瑟福提出核式结构模型：原子中心有一个体积极小、质量很大、带正电的原子核，电子在核外的广阔空间中运动。第五步：答：①直穿说明原子内部大部分是空的；大角度偏转和反弹说明存在体积极小、质量很大、带正电的原子核。②否定了枣糕模型，提出了核式结构模型。