物质结构与原子模型

陈军

我们生活的这个世界里有数不清的物体：房子、汽车、书桌、铅笔、电视机等.在这些物体中，有的是用木头做的，有的是用金属做的，也有的是用塑料做的，还有用纸做的，制作物体所用的材料我们称其为物质.多年来，人们一直关注物质结构的问题，从外表上看来，各种形态的物质似乎都是连续的，但科学家经过长期以来的研究发现，物质是由分子组成的，分子是由原子构成的.在历史上科学家根据自己的实验和经验提出了各种不同的原子模型.

1.道尔顿的原子模型

1803年，英国著名化学家、物理学家道尔顿（图1）提出了自己的原子模型（如图2所示）.他认为原子是组成物质的基本粒子，它们是坚实的、不可再分的实心球.道尔顿刚开始提出他的原子模型时，很多人都不相信，因为根本无法看到的东西怎么能相信它是存在的呢？但是通过各种化学和物理实验，人们不得不认可原子存在的事实.道尔顿用自己的原子模型解释了当时许多众所周知的化学反应.

2.汤姆生的原子模型

1906年度诺贝尔物理学奖获得者、英国著名物理学家汤姆生（图3），他在物理学上最重要的贡献是发现了电子.19世纪末，物理学界对阴极射线究竟是什么东西的研究达到了高潮，有些科学家认为阴极射线是一种电磁波，有些科学家则认为它是一种带电的粒子流.为了弄清这个问题，汤姆生进行了刻苦的研究.他利用废旧材料研制实验仪器，终于在1897设计出一个巧妙的实验，证明了阴极射线是由带负电的粒子组成的.他通过实验和理论推算，得出组成阴极射线的粒子的质量约为氢原子质量的1/1840，汤姆生把组成阴极射线的微粒叫做“电子”.电子的发现被科学家称为19世纪和20世纪之交的三大发现之一，汤姆生也被誉为“电子之父”.

电子的发现打破了原子绝对不可再分的神话，揭示了原子也是有结构的，由此人类对物质结构的认识进入了一个崭新的阶段.

汤姆生发现电子后，提出了自己的原子模型（如图4所示）：他认为在原子中质子是均匀分布的，而电子则到处镶嵌着，电子镶嵌的样子就好像是枣糕里镶嵌着的葡萄干一样，所以这个模型也被人们叫做“葡萄干模型”或者“枣糕模型”.

汤姆生的原子模型虽然无法说明原子间发生的所有化学反应，但却很好地说明了阳离子和阴离子产生的原因，以及放射性元素中产生β射线的原因.

3.卢瑟福的原子模型

1911年英国物理学家卢瑟福（图5）做了著名的α粒子散射实验，实验的目的是想证实汤姆生原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆生原子模型的有力证据.在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型.

图6是这个实验装置的示意图.在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋（Po），它发出的α射线从铅盒的小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上.当α粒子穿过金箔后，射到荧光屏上产生一个个的闪光点，这些闪光点可用显微镜来观察.为了避免α粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果，整个装置放在一个抽成真空的容器内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动.

实验结果表明，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来，这就是α粒子的散射现象.

发生极少数α粒子的大角度偏转现象是出乎意料的.根据汤姆生模型的计算，α粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的，因为电子的质量不到α粒子的1/7400，α粒子碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样，运动方向不会发生明显的改变.正电荷又是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到原子内部两侧正电荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏转的力就不会很大.然而事实却出现了极少数α粒子大角度偏转的现象.卢瑟福后来回忆说：“这是我一生中从未有的最难以置信的事，它好比你对一张纸发射出一发炮弹，结果被反弹回来而打到自己身上……”

卢瑟福对实验的结果进行了分析，认为只有原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域，才有可能出现α粒子的大角度散射.由此，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型，认为在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核（nucleus），原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转.根据α粒子散射实验，可以估算出原子核的直径约为10-15m～10-14m，原子直径大约是10-10m，所以原子核的直径大约是原子直径的万分之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一，如果把原子比做一个乒乓球，那么原子核只有针尖般大小.

由于他的原子模型是通过非常严密的科学实验得出来的，因此直到今天仍然受到人们的重视.后人发现卢瑟福的原子模型还是有许多缺陷：它违背了力学理论和电磁学理论，因为它不能很好地解释带负电的电子围绕带正电的原子核旋转而不被吸引到原子核里的原因.

4.波尔的原子模型及电子云模型

1922年度诺贝尔物理学奖获得者、丹麦物理学家波尔（图7）于1913年提出了自己的原子结构模型（图8）：他认为在原子的内部，电子环绕原子核做轨道运动，外层轨道比内层轨道可以容纳更多的电子；核外层轨道的电子数决定了元素的化学性质.如果外层轨道的电子落入内层轨道，将释放出一个带固定能量的光子.玻尔的原子结构模型很好地解释了氢原子的结构问题.

虽然玻尔的原子结构模型还存在着一定的缺陷，但它对原子结构里程碑式的认识，极大地启发了后来的海森堡、薛定谔、玻恩等人，他们在实验中发现：电子在原子核周围，有的区域出现的次数多，有的区域出现的次数少，就像“云雾”笼罩在原子核周围一样，因而提出了“电子云模型”（图9）.

我们无法看到原子的世界，但是却能像亲眼见到似地十分了解这个世界，这都得益于科学家们一直以来对这个微观世界进行的孜孜不倦的研究.在探索微小粒子的历程中，人们首先发现了电子，进而认识到原子是由电子和原子核构成的.后来又发现原子核是由质子和中子构成的，质子带正电荷，中子不带电.20世纪60年代，盖尔曼又提出质子和中子都是由被称为夸克的更小微粒构成的.那么夸克是否真的就是不可再分的最小微粒了呢？说不定它以后也会被发现是由更小的粒子组成的.看来，人类研究物质结构的道路还很漫长，这需要我们不断地去探索.