原子分子結構模型怎麼做（原子的核式結構模型）

2023-05-31 07:41:59

這種射線稱為陰極射線（cathode ray）。對這種射線本質的認識有兩種觀點：一種觀點認為，它是一種電磁輻射；另一種觀點認為，它是帶電微粒。如何用實驗判斷哪一種觀點正確呢？

一、電子的發現

當時，兩種觀點的支持者爭執不下，誰也說服不了誰。為了找到有利於自己的證據，雙方都做了許多實驗。英國物理學家J.J.湯姆孫

認為陰極射線是帶電粒子流。為了證實這一點，從1890年起他和他的助手進行了一系列實驗研究。如圖

是他當時使用的氣體放電管的示意圖。由陰極K發出的帶電粒子通過縫隙A、B形成一束細細的射線。它穿過兩片平行的金屬板D₁、D₂之間的空間，到達右端帶有標尺的螢光屏上。根據射線產生的螢光的位置（如P₁，P₂，P₃，…），可以研究射線的徑跡。

圖中產生陰極射線的機理是：管中殘存氣體分子中的正負電荷在強電場的作用下被「拉開」（即氣體分子被電離），正電荷（即正離子）在電場加速下撞擊陰極，於是陰極釋放更多粒子流，形成了陰極射線。

1897年，J.J.湯姆孫根據陰極射線在電場和磁場中的偏轉情況斷定，它的本質是帶負電的粒子流，並求出了這種粒子的比荷。他進一步發現，用不同材料的陰極做實驗，所得比荷的數值都是相同的。這說明不同物質都能發射這種帶電粒子，它是構成各種物質的共有成分。

由實驗測得的陰極射線粒子的比荷是氫離子（也就是質子）比荷的近兩千倍。J.J.湯姆孫認為，這可能表示陰極射線粒子電荷量的大小與一個氫離子一樣，而質量比氫離子小得多。後來，他直接測到了陰極射線粒子的電荷量，儘管測量不很準確，但足以證明這種粒子電荷量的大小與氫離子大致相同，這就表明他當初的猜測是正確的。後來，組成陰極射線的粒子被稱為電子。

☞帶電粒子的電荷量與其質量之比，即比荷，是一個重要的物理量。

☞電子的發現是物理學史上的重要事件。人們由此認識到原子不是組成物質的最小微粒，原子本身也有結構。

☞熱離子發射指金屬在高溫時發射粒子的現象。射線是某些物質自發地放射出的一種射線，在第五章中將有討論。

電子電荷的精確測定是在1909～1913年間由密立根通過著名的「油滴實驗」做出的。目前公認的電子電荷e的值為

e＝1.602176634×10⁻¹⁹C

密立根實驗更重要的發現是：電荷是量子化的，即任何帶電體的電荷只能是e的整數倍。從實驗測到的比荷及e的數值，可以確定電子的質量。現在人們普遍認為電子的質量為me＝9.10938356×10⁻³¹kg

質子質量與電子質量的比值為

mp/me＝1836

發現電子以後，J.J.湯姆孫又進一步研究了許多新現象，如光電效應、熱離子發射效應和β射線等。他發現，不論陰極射線、光電流、熱離子流還是β射線，它們都包含電子。也就是說，不論是由於正離子的轟擊、紫外光的照射、金屬受熱還是放射性物質的自發輻射，都能發射同樣的帶電粒子一電子。J.J.湯姆孫對證實電子的存在有很大貢獻，因此公認他是電子的發現者。他因氣體導電的研究獲得1906年的諾貝爾物理學獎。

二、原子的核式結構模型

在J.J.湯姆孫發現電子之後，對於原子中正負電荷如何分布的問題，科學家們提出了許多模型。J.J.湯姆孫本人於1898年提出了一種模型。他認為，原子是一個球體，正電荷瀰漫性地均勻分布在整個球體內，電子鑲嵌其中（圖）。

有人形象地把他的這個模型稱為「西瓜模型」或「棗糕模型」。

這個模型能夠解釋一些實驗現象。但德國物理學家勒納德1903年做了一個實驗，使電子束射到金屬膜上，發現較高速度的電子很容易穿透原子。這說明原子不是一個實心球體，這個模型可能不正確。之後不久，α粒子散射實驗則完全否定了這個模型。

粒子散射實驗粒子是從放射性物質（如鉑和鐳）中發射出來的快速運動的粒子，質量為氫原子質量的4倍、電子質量的7300倍。

1909年，英國物理學家盧瑟福

指導他的助手蓋革和馬斯頓進行粒子散射實驗的研究時，所用儀器的示意圖如圖所示。

粒子源R是被鉛塊包圍的，它發射的α粒子經過一條細通道，形成一束射線，打在金箔F上。顯微鏡M帶有螢光屏S，可以在水平面內轉到不同的方向對散射的a粒子進行觀察。被散射的粒子打在螢光屏上會有微弱的閃光產生。通過顯微鏡觀察閃光就可以記錄在某一時間內向某一方向散射的粒子數。從α粒子放射源到螢光屏這段路程處於真空中。

當粒子打到金箔時，由於金原子中的帶電粒子對a粒子有庫侖力的作用，一些粒子的運動方向改變，也就是發生了α粒子的散射。統計散射到各個方向的粒子所佔的比例，可以推知原子中電荷的分布情況。除了金箔，當時的實驗還用了其他重金屬箔，例如鉑箔。

實驗發現，絕大多數α粒子穿過金箱後，基本上仍沿原來的方向前進，但有少數a粒子（約佔1/8000）發生了大角度偏轉，極少數偏轉的角度甚至大於90°，也就是說，它們幾乎被＂撞了回來」。對α粒子散射實驗的解釋這樣的事實令人驚奇。大角度的偏轉不可能是電子造成的，因為它的質量只有α粒子的1/7300，它對α粒子速度的大小和方向的影響就像灰塵對槍彈的影響，完全可以忽略。因此，α粒子偏轉主要是具有原子的大部分質量的帶正電部分造成的。而按照J.J.湯姆孫的模型，正電荷是均勻地分布在原子內的，α粒子穿過原子時受到的各方向正電荷的斥力基本上會相互平衡，因此對α粒子運動的影響不會很大。所以，J.J.湯姆孫的模型無法解釋大角度散射的實驗結果。

盧瑟福分析了實驗數據後認為，事實應該是：佔原子質量絕大部分的帶正電的物質集中在很小的空間範圍。這樣才會使α粒子在經過時受到很強的斥力，使其發生大角度的偏轉。

1911年，盧瑟福提出了自己的原子結構模型。他設想：原子中帶正電部分的體積很小，但幾乎佔有全部質量，電子在正電體的外面運動。這樣，當α粒子接近原子時，電子對它的影響仍如前述可以忽略，但是，正電體對它的作用就不同了。因為正電體很小，當α粒子進入原子區域後，大部分離正電體很遠，受到的庫侖斥力很小，運動方向幾乎不改變。只有極少數粒子在穿過時距離正電體很近，因此受到很強的庫侖斥力，發生大角度散射。這個情況如圖所示。

按照盧瑟福的理論，正電體的尺度是很小的，稱為原子核。盧瑟福的原子模型因而稱為核式結構模型。盧瑟福以這個模型為依據，利用經典力學計算了向各個方向散射的α粒子的比例，結果與實驗數據符合得很好。

三、原子核的電荷與尺度

由不同元素對α粒子散射的實驗數據可以確定不同元素原子核的電荷量Q。又由於原子是電中性的，可以推算出原子內含有的電子數。科學家們注意到，各種元素的原子核的電荷數，即原子內的電子數，非常接近它們的原子序數，這說明元素周期表中的各種元素是按原子中的電子數來排列的。

現在，我們知道，原子確實是由帶電荷₊Ze的核與核外Z個電子組成的。原子序數Z等於核電荷與電子電荷大小的比值。它表示原子核的電荷是一個電子電荷量的多少倍。後來又發現原子核是由質子和中子組成的，原子核的電荷數就是核中的質子數。

☞Ze是原子核的電荷，單位是庫侖；Z是原子序數，也是原子核的電荷數，它表示原子核的電荷是一個電子電荷（絕對值）的多少倍。Z是沒有單位的，或者說Z的單位是1。

通常用核半徑描述核的大小。原子核的半徑是很難測量的，一般通過其他粒子與核的相互作用來確定。α粒子散射可以用來估算核半徑。對於一般的原子核，實驗確定的核半徑的數量級為10⁻¹⁵m，而整個原子半徑的數量級是10⁻¹m，兩者相差十萬倍之多。可見原子內部是十分「空曠」的。

四、經典物理學的困難

按照經典物理學，核外電子受到原子核的庫侖引力的作用，不可能是靜止的，它一定在以一定的速度繞核轉動。既然電子在做周期性運動，它的電磁場就在周期性地變化，而周期性變化的電磁場會激發電磁波。也就是說，它將把自己繞核轉動的能量以電磁波的形式輻射出去。因此，電子繞核轉動這個系統是不穩定的，電子會失去能量，最後一頭栽到原子核上。