定义 原子核的质量数等于其质子数与中子数之和,即 $A = Z + N$。
从哪来 基于 1.2 卢瑟福模型(核式结构模型) 确立原子核由质子和中子组成的微观结构认知,以及 1.3 原子核式结构 中关于核内粒子构成的基本事实。
为什么 原子核由质子和中子(统称核子)紧密聚集而成。由于质子和中子的质量非常接近(均约为 $1.67 \times 10^{-27}$ kg),在宏观或半宏观的原子物理计算中,为了简化计算并突出数量级特征,物理学约定用“质量数”来表征原子核的质量大小。质量数 $A$ 直接反映了核内核子的总数,是连接微观粒子数量与宏观原子质量的关键桥梁。
讲法
类比法:集装箱计数
适合
形象思维强、对抽象概念感到困难的学生。
将原子核比作一个集装箱,质子和中子是里面的货物。我们不需要精确称量每个货物的克数(因为太麻烦且差异极小),只需要数清楚里面装了多少个标准箱子(核子)。质量数就是箱子的总数。例如,碳-12 就是装了 12 个箱子的集装箱,其中 6 个是质子(标签),6 个是中子(填充物)。
讲法
代数推导法:质量近似
适合
逻辑严密、擅长数学推导的学生。
从质量定义出发:$m_{\text{核}} = Z \cdot m_p + N \cdot m_n$。
已知 $m_p \approx 1.6726 \times 10^{-27}$ kg,$m_n \approx 1.6749 \times 10^{-27}$ kg。
两者差异极小,且远小于电子质量($9.1 \times 10^{-31}$ kg)的千倍。
因此,在原子物理中,我们将 $1.66 \times 10^{-27}$ kg 定义为 1 原子质量单位 (u)。
于是 $m_{\text{核}} \approx (Z+N) \times 1 \text{u}$。
定义 $A = Z+N$,则 $m_{\text{核}} \approx A \text{u}$。这就是质量数的由来。
讲法
符号解析法:元素符号拆解
适合
记忆力好、注重符号规范的学生。
直接拆解元素符号 ${}_{Z}^{A}\text{X}$。
左上角 $A$ 是质量数(Mass Number),代表核子总数。
左下角 $Z$ 是电荷数(Charge Number),代表质子数,决定元素种类。
中间 $\text{X}$ 是元素符号。
口诀:“左上总,左下质,右边名”。
强调:$A$ 不是质量的具体数值(如千克),而是一个无量纲的整数计数。