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原子是构成所有物质的最基本单位。原子非常微小，直径约为十的负十次方米，质量约为十的负二十七次方千克。尽管原子极其微小，但它们由更小的粒子组成，包括原子核和围绕原子核运动的电子。原子保持着元素的化学性质，是理解物质世界的关键。
原子结构的认识经历了漫长的发展过程。1803年，道尔顿提出原子论，认为原子是不可分割的实心球体。1897年，汤姆逊发现电子后，提出了葡萄干布丁模型，认为电子像葡萄干一样嵌入在正电荷的球体中。1911年，卢瑟福通过α粒子散射实验，提出了行星模型，认为原子由中心的原子核和围绕核运动的电子组成。每个模型都为我们理解原子结构做出了重要贡献。
现代原子结构由三种基本粒子组成。质子带正电荷，质量约为1.67乘以10的负27次方千克，位于原子核内。中子电中性，质量与质子相近，也位于原子核内。电子带负电荷，质量约为9.11乘以10的负31次方千克，比质子轻约1800倍，在原子核外的电子云中运动。原子核虽然体积很小，但集中了原子的几乎全部质量，而电子云占据了原子的大部分空间，使原子内部存在巨大的空隙。
电子在原子中按照特定规律排布在不同的壳层中。K层是最内层，最多容纳2个电子；L层最多容纳8个电子；M层最多容纳18个电子；N层最多容纳32个电子。电子填充遵循先内后外的原则，即先填满内层再填外层。以碳原子为例，它有6个电子，K层填满2个电子，L层填入4个电子。最外层电子数决定了原子的化学性质和稳定性。
原子序数等于原子中质子的数目，用字母Z表示，它决定了元素的种类和在周期表中的位置。质量数等于质子数加中子数，用字母A表示，是原子质量的近似值。以碳元素为例，碳-12的原子序数是6，质量数是12，含有6个质子和6个中子。碳-14也有6个质子，但有8个中子，质量数为14。像碳-12和碳-14这样质子数相同但中子数不同的原子称为同位素，它们具有相同的化学性质但物理性质不同。