物質(zhì)結(jié)構(gòu)與原子模型

陳軍

我們生活的這個(gè)世界里有數(shù)不清的物體：房子、汽車、書桌、鉛筆、電視機(jī)等.在這些物體中，有的是用木頭做的，有的是用金屬做的，也有的是用塑料做的，還有用紙做的，制作物體所用的材料我們稱其為物質(zhì).多年來，人們一直關(guān)注物質(zhì)結(jié)構(gòu)的問題，從外表上看來，各種形態(tài)的物質(zhì)似乎都是連續(xù)的，但科學(xué)家經(jīng)過長期以來的研究發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)是由分子組成的，分子是由原子構(gòu)成的.在歷史上科學(xué)家根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)提出了各種不同的原子模型.

1.道爾頓的原子模型

1803年，英國著名化學(xué)家、物理學(xué)家道爾頓（圖1）提出了自己的原子模型（如圖2所示）.他認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的基本粒子，它們是堅(jiān)實(shí)的、不可再分的實(shí)心球.道爾頓剛開始提出他的原子模型時(shí)，很多人都不相信，因?yàn)楦緹o法看到的東西怎么能相信它是存在的呢？但是通過各種化學(xué)和物理實(shí)驗(yàn)，人們不得不認(rèn)可原子存在的事實(shí).道爾頓用自己的原子模型解釋了當(dāng)時(shí)許多眾所周知的化學(xué)反應(yīng).

2.湯姆生的原子模型

1906年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、英國著名物理學(xué)家湯姆生（圖3），他在物理學(xué)上最重要的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了電子.19世紀(jì)末，物理學(xué)界對陰極射線究竟是什么東西的研究達(dá)到了高潮，有些科學(xué)家認(rèn)為陰極射線是一種電磁波，有些科學(xué)家則認(rèn)為它是一種帶電的粒子流.為了弄清這個(gè)問題，湯姆生進(jìn)行了刻苦的研究.他利用廢舊材料研制實(shí)驗(yàn)儀器，終于在1897設(shè)計(jì)出一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，證明了陰極射線是由帶負(fù)電的粒子組成的.他通過實(shí)驗(yàn)和理論推算，得出組成陰極射線的粒子的質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的1/1840，湯姆生把組成陰極射線的微粒叫做“電子”.電子的發(fā)現(xiàn)被科學(xué)家稱為19世紀(jì)和20世紀(jì)之交的三大發(fā)現(xiàn)之一，湯姆生也被譽(yù)為“電子之父”.

電子的發(fā)現(xiàn)打破了原子絕對不可再分的神話，揭示了原子也是有結(jié)構(gòu)的，由此人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段.

湯姆生發(fā)現(xiàn)電子后，提出了自己的原子模型（如圖4所示）：他認(rèn)為在原子中質(zhì)子是均勻分布的，而電子則到處鑲嵌著，電子鑲嵌的樣子就好像是棗糕里鑲嵌著的葡萄干一樣，所以這個(gè)模型也被人們叫做“葡萄干模型”或者“棗糕模型”.

湯姆生的原子模型雖然無法說明原子間發(fā)生的所有化學(xué)反應(yīng)，但卻很好地說明了陽離子和陰離子產(chǎn)生的原因，以及放射性元素中產(chǎn)生β射線的原因.

3.盧瑟福的原子模型

1911年英國物理學(xué)家盧瑟福（圖5）做了著名的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的是想證實(shí)湯姆生原子模型的正確性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻成了否定湯姆生原子模型的有力證據(jù).在此基礎(chǔ)上，盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型.

圖6是這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖.在一個(gè)鉛盒里放有少量的放射性元素釙（Po），它發(fā)出的α射線從鉛盒的小孔射出，形成一束很細(xì)的射線射到金箔上.當(dāng)α粒子穿過金箔后，射到熒光屏上產(chǎn)生一個(gè)個(gè)的閃光點(diǎn)，這些閃光點(diǎn)可用顯微鏡來觀察.為了避免α粒子和空氣中的原子碰撞而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)裝置放在一個(gè)抽成真空的容器內(nèi)，帶有熒光屏的顯微鏡能夠圍繞金箔在一個(gè)圓周上移動(dòng).

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn)，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，并有極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)超過90°，有的甚至幾乎達(dá)到180°而被反彈回來，這就是α粒子的散射現(xiàn)象.

發(fā)生極少數(shù)α粒子的大角度偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象是出乎意料的.根據(jù)湯姆生模型的計(jì)算，α粒子穿過金箔后偏離原來方向的角度是很小的，因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量不到α粒子的1/7400，α粒子碰到它，就像飛行著的子彈碰到一粒塵埃一樣，運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生明顯的改變.正電荷又是均勻分布的，α粒子穿過原子時(shí)，它受到原子內(nèi)部兩側(cè)正電荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏轉(zhuǎn)的力就不會(huì)很大.然而事實(shí)卻出現(xiàn)了極少數(shù)α粒子大角度偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象.盧瑟福后來回憶說：“這是我一生中從未有的最難以置信的事，它好比你對一張紙發(fā)射出一發(fā)炮彈，結(jié)果被反彈回來而打到自己身上……”

盧瑟福對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析，認(rèn)為只有原子的幾乎全部質(zhì)量和正電荷都集中在原子中心的一個(gè)很小的區(qū)域，才有可能出現(xiàn)α粒子的大角度散射.由此，盧瑟福在1911年提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核（nucleus），原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn).根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，可以估算出原子核的直徑約為10-15m～10-14m，原子直徑大約是10-10m，所以原子核的直徑大約是原子直徑的萬分之一，原子核的體積只相當(dāng)于原子體積的萬億分之一，如果把原子比做一個(gè)乒乓球，那么原子核只有針尖般大小.

由于他的原子模型是通過非常嚴(yán)密的科學(xué)實(shí)驗(yàn)得出來的，因此直到今天仍然受到人們的重視.后人發(fā)現(xiàn)盧瑟福的原子模型還是有許多缺陷：它違背了力學(xué)理論和電磁學(xué)理論，因?yàn)樗荒芎芎玫亟忉寧ж?fù)電的電子圍繞帶正電的原子核旋轉(zhuǎn)而不被吸引到原子核里的原因.

4.波爾的原子模型及電子云模型

1922年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、丹麥物理學(xué)家波爾（圖7）于1913年提出了自己的原子結(jié)構(gòu)模型（圖8）：他認(rèn)為在原子的內(nèi)部，電子環(huán)繞原子核做軌道運(yùn)動(dòng)，外層軌道比內(nèi)層軌道可以容納更多的電子；核外層軌道的電子數(shù)決定了元素的化學(xué)性質(zhì).如果外層軌道的電子落入內(nèi)層軌道，將釋放出一個(gè)帶固定能量的光子.玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型很好地解釋了氫原子的結(jié)構(gòu)問題.

雖然玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型還存在著一定的缺陷，但它對原子結(jié)構(gòu)里程碑式的認(rèn)識，極大地啟發(fā)了后來的海森堡、薛定諤、玻恩等人，他們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：電子在原子核周圍，有的區(qū)域出現(xiàn)的次數(shù)多，有的區(qū)域出現(xiàn)的次數(shù)少，就像“云霧”籠罩在原子核周圍一樣，因而提出了“電子云模型”（圖9）.

我們無法看到原子的世界，但是卻能像親眼見到似地十分了解這個(gè)世界，這都得益于科學(xué)家們一直以來對這個(gè)微觀世界進(jìn)行的孜孜不倦的研究.在探索微小粒子的歷程中，人們首先發(fā)現(xiàn)了電子，進(jìn)而認(rèn)識到原子是由電子和原子核構(gòu)成的.后來又發(fā)現(xiàn)原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電.20世紀(jì)60年代，蓋爾曼又提出質(zhì)子和中子都是由被稱為夸克的更小微粒構(gòu)成的.那么夸克是否真的就是不可再分的最小微粒了呢？說不定它以后也會(huì)被發(fā)現(xiàn)是由更小的粒子組成的.看來，人類研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的道路還很漫長，這需要我們不斷地去探索.