原子模型：质子、中子和电子各管什么

原子里三种粒子，各管一件事：质子管“是哪种元素”，中子管“有多重”，电子管“带不带电”。这个模拟让学生一个一个地加减粒子，右侧的元素名、质量数和电荷会立刻显示后果。

实验目的

做完这个模拟，学生应该能够：

• 说出原子由原子核（质子＋中子）和核外电子构成；
• 知道质子数（核电荷数）决定元素种类；
• 会算质量数 A = 质子数 + 中子数；
• 会判断阳离子和阴离子，并解释原子整体为什么不带电。

如何操作

1. 默认是 6 个质子、6 个中子、6 个电子，右侧显示元素为碳、质量数 12、净电荷 0。
2. 用质子行的 ＋/− 按钮改变质子数，观察元素名称随之变化（5 → 硼，7 → 氮）。
3. 只改中子数：元素不变，质量数变化。这就是同位素（比如碳-12 和碳-14）。
4. 只改电子数：净电荷不再为零。电子比质子少是阳离子，多则是阴离子。
5. 试着搭出一个氧原子（8 质子、8 中子、8 电子）和一个 Na⁺（11 质子、12 中子、10 电子）。

实验现象

下面是这个模拟里应当出现的现象：

• 质子数 6 → 碳（C），改成 7 → 氮（N）：质子数一变，元素立刻换了。
• 质子 6、中子 8：元素仍是碳，质量数变成 14（碳-14，考古测年用的同位素）。
• 电子减少 1 个：净电荷显示 +1，成为阳离子；电子多 1 个则显示 −1，成为阴离子。
• 质子数与电子数相等时净电荷为 0，原子整体呈电中性。
• 电子分布在核外的电子层上：第一层最多 2 个，第二层最多 8 个。

实验原理

原子由居于中心的原子核和核外高速运动的电子构成。原子核由质子（带 1 个单位正电荷）和中子（不带电）组成，电子带 1 个单位负电荷。

对中性原子：核电荷数 = 质子数 = 核外电子数。这个数就是元素的原子序数，决定了元素种类，也是元素周期表的排序依据。

质量数 A = 质子数 Z + 中子数 N。质子和中子质量差不多，电子质量只有质子的约 1/1836，可以忽略，所以原子的质量几乎全部集中在原子核里。

同位素：质子数相同、中子数不同的同种元素的原子。它们化学性质几乎相同，物理性质（质量、是否有放射性）不同。

离子：原子得到或失去电子后带电的微粒。金属原子容易失去电子形成阳离子（Na⁺），非金属原子容易得到电子形成阴离子（Cl⁻）。带电的原因就是质子数与电子数不再相等。

原子核极小却集中了几乎全部质量：如果把原子放大成一个体育场，原子核只有场中央的一粒米，其余全是电子活动的空旷空间。这就是卢瑟福 α 粒子散射实验得出的结论。

常见误区

• “改变中子数会变成另一种元素” —— 不会，只是同位素。决定元素的是质子数。
• “原子不带电是因为它没有电荷” —— 是正负电荷数量相等、互相抵消。
• “相对原子质量就是质量数” —— 数值接近但不同。相对原子质量是原子质量与碳-12 原子质量 1/12 的比值，且是各同位素按丰度的平均值（氯为 35.5）。

应用与延伸

• 元素周期表按质子数排序，同一周期电子层数相同，同一主族最外层电子数相同。
• 碳-14 测年用于考古，放射性同位素用于医学示踪与肿瘤治疗。
• 离子的形成解释了食盐 NaCl 的构成，也解释了为什么盐水能导电而蒸馏水几乎不导电。

1～10 号元素一览

模拟里质子数可以从 1 调到 10，对应元素周期表的前十位。把它们的粒子数和电子分层列出来，搭原子时可以直接对照：

表里有几个容易被忽略的点：氢原子没有中子，质量数就是 1；锂开始有第二层电子；氖的第二层正好 8 个，是稳定结构，所以氖几乎不和别的物质反应。最后一列从 1 数到 8，正好对应第二周期元素从左到右的顺序。

两类判断题的拆法

“某原子有 8 个质子、10 个中子，它是哪种元素、质量数多少”：只看质子数，8 对应氧，质量数 8 + 10 = 18，这是氧的一种同位素。“某微粒有 11 个质子、10 个电子，它是什么”：质子比电子多 1，带一个单位正电荷，是钠离子 Na⁺。模拟里把这两组数字调出来，右侧显示的元素名和电荷会给出同样的结论。

课堂上怎么用这个模拟

从默认的碳原子出发，让学生先只加一个质子，看元素名变成氮；再只加一个中子，看名字不变、质量数加一；最后只减一个电子，看电荷变成 +1。三次操作分别对应“换元素、换同位素、变离子”。然后给出“11 个质子、12 个中子、10 个电子”让学生搭出来，并说出这是什么微粒。

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