5. 原子的内部结构
原子的大门被打开了， 那么原子内部是什么样？ 它有怎样的结构状况， 自然就成了物理学家们十分关心的问题。
不过， 原子内部的研究， 对人类认识自然界来说， 是一个全新的领域。过去， 人类所认识的自然事物都是肉眼能直接观察到的客观现象， 对这些现象可以直观地加以描述。而现在， 原子看不见、摸不着， 这种直观描述的方法不适用了。那么怎样刻画原子这样的微观物体呢， 物理学家们就更多地采用这样一种方法： 根据一定的实验事实， 运用一些概念对微观物体的状况和性质给出一个假设性的图像； 然后再通过实验去检验， 看看这个假设的图像是否符合研究对象的实际情况。这样一种方法就叫做“模型”方法。被研究、被刻画的物体称为原型， 模型就是对原型的一种形象描述。
对原子内部状况的认识， 物理学家就采用的是模型方法。第一个比较有影响的原子模型就是发现电子的那个英国物理学家汤姆逊提出来的。他设想， 原子是一个圆球。在这个球形的内部均匀地分布着正电荷， 这就是原子的主体。同时， 在这个球形的内部还夹杂着一些带负电荷的电子。而且， 原子里面主体所带的正电荷与所有电子所带的负电荷在数量上是相等的。因此， 对整个原子来说， 它是呈中性的。如果原子内部正电荷多于负电荷， 就是阳离子， 如果正电荷少于负电荷， 就是阴离子。按照汤姆逊提出的原子模型， 原子就像一个圆面包， 其中的电子就像面包中零散分布的葡萄干， 除去“葡萄干”以外的就是带正电荷的主体。这样一个原子结构模型， 被后人形象地称为“葡萄干面包”模型。
这个模型是不是符合原子的真实情况， 还需要用各种实验事实来检验。汤姆逊为了说明他的原子模型是正确的， 借用了一个磁针实验来说明电子在原子中的排列情况。他用一个较大的盛放着液体的容器来代表原子的主体， 用漂浮在液体上面的相对较小的软木塞代表电子。软木塞上嵌有小磁针， 容器正上方有一大磁铁， 这个磁铁通过小磁针对软木塞发生作用， 就像原子内部存在着的静电力。如果原子中只有一个电子， 比如氢原子， 那么液体上只漂浮一个软木塞， 它就处在整个容器的中心； 如果原子中有二个电子， 那么在磁铁作用下， 二个软木塞就漂浮在容器中心的两侧， 如果原子中有三个电子， 那么三个软木塞就排成一个等边三角形； 如果原子中有四个电子， 那么四个软木塞就排成一个正方形。当原子中有较多电子的情况下， 软木塞的布局就不那么规则和稳定了。但是， 如果把原子中的电子分为内层电子和外层电子， 汤姆逊的原子模型居然得出了和门捷列夫元素周期律相类似的电子排列规律。这使得汤姆逊的原子模型受到了赞扬。物理学家们还发现， β射线可以穿过几毫米的铝片。β射线是高速的电子流， 这就是说带负电荷的电子能穿透组成铝片的原子。显然， 那种认为原子是一个不可分割的坚硬小球的传统观念是不对的。因为， 原子若真是不可分割的， 那么电子是无法通过的。这让汤姆逊感到高兴， 他的原子模型可以解释β射线穿过铝片的现象。那就是电子比原子的体积小得多， 而原子里面有足够的空隙， 可以让高速的β射线穿过。这就好像高速的葡萄干打穿了面包。
没有多久， 实验事实就让汤姆逊由高兴转为伤脑筋了。进一步的实验发现， α粒子能穿过很薄的金属镭。α粒子是失去了两个电子的氦原子， 好比是少了两颗葡萄干的小面包。小面包怎么能通过大面包， 这实在是令人难以接受的结论。这或许证明， 汤姆逊的原子模型存在不完全符合原子本身状况的地方。
图3模型不完全符合原型， 那就要修改。对模型进行修改， 依据的还是实验事实。既然是α粒子带来的问题， 那么就对α粒子穿透原子的情况进行更细致的研究。一深入研究， 又发现了令人奇怪的现象。英国物理学家卢瑟福和他的助手在反复用α粒子去轰击金属箔时， 借助仪器观察到大多数射向金属箔( 金箔) 的α粒子都顺利地通过了， 不过它们的飞行路线也产生了偏斜， 偏斜的角度只有几度。可是， 也有少数α粒子， 大约8000 个α粒子中只有一个， 偏斜的角度很大， 有的超过90°， 甚至还有180°的。α粒子飞行路线偏斜180°就是射出去又被弹回来了。这个实验事实使卢瑟福陷入了沉思。是什么作用能使α粒子在进入原子里面以后， 飞行路线产生偏斜， 甚至被反弹回来呢？ 一定是它在原子里面遇到障碍物了。α粒子是比电子重的粒子， 它的质量差不多是电子质量的7000 多倍， 如果α粒子进到原子里面， 碰上的是电子的话， 那么它的飞行线不会产生这么大的偏斜。所以， α粒子遇到的很可能是一个比较重的东西， 而且这个重物的体积不是很大。因为只有少数α粒子的飞行路线产生偏斜， 而大多数α粒子都顺利地通过了。在这样分析的基础上， 卢瑟福猜想， 这个重物可能是带正电荷的， 当带正电荷的α粒子正碰上它的时候， 同性电荷相斥使α粒子反弹回来。卢瑟福的猜想是有道理的。α粒子与一个质量比它大得多的正电荷相遇， 有点像一辆飞速行驶的小汽车与一辆静止不动的大卡车相撞的情况。可又不完全像， 根据库仑定律， α粒子与带正电荷的重物相遇， 会发生强烈的静电斥力， 作用在电荷上的力与电荷所带电量的大小成正比， 与两个电荷之间距离的平方成反比。所以， α粒子越是靠近这个重物， 它受到的斥力就越大。实际上， α粒子并不需要真正同这个重物相碰， 它就会被反弹回来。
1911 年， 卢瑟福提出了一个新的原子模型。他认为， 原子的中央存在一个带正电荷的核， 就是那个重物， 这个核被称为原子核。原子核的体积很小， 它的直径只是原子直径的万分之一。原子核以外的地方比较空旷， 只是散布着一定数量的电子， 这些电子环绕着原子核在不停地运动。这个原子模型描述的原子内部结构的状况， 有点类似太阳系。太阳是太阳系的核心， 它的直径与太阳系的直径相比也是相当的小， 太阳系里面， 水星、金星以及地球等九大行星都在绕太阳这个核心旋转。如果把原子核比做太阳， 则电子就好像是绕太阳为中心旋转运动的行星。所以， 这个原子模型也有人称之为“行星式原子模型”。在这个原子模型中， 卢瑟福还指出， 原子核的体积虽然小， 但是原子的质量几乎都集中在原子核上。而且， 原子的质量越大， 原子核带的正电荷就越多， 相应的原子核外围的电子数目也就越多。
卢瑟福的原子模型发表以后， 在科学界产生了巨大的影响。很多科学家都到他的实验室来表示祝贺， 但当看到他那揭示原子结构奥秘的实验是用比较简单的仪器完成的， 都对他更加钦佩。
卢瑟福的原子有核结构模型， 比汤姆逊的葡萄干面包式原子模型能更好地解释实验结果， 更符合原子结构的实际， 成为原子结构的基本观点。物理学的发展， 已经证明“原子有核”的观点是正确的。物理学家们经过精确的实验和计算， 已经确切地知道， 原子核的直径大约相当于原子直径的万分之一或几万分之一。电子更小， 它的直径大约相当于原子直径的十万分之一。若按体积计算， 原子核的体积与原子的体积相差得更多。如果把一个原子比作一个大教室的话， 那么原子核也不过相当于教室中央的一颗小米粒。
卢瑟福的原子模型优越于汤姆逊的原子模型， 因此很快被物理学家们所接受。那么是不是卢瑟福的原子有核结构模型就非常完善了呢？ 也不是， 科学的发展是逐步深入的。不久， 卢瑟福的原子模型也受到了挑战， 这一挑战是来自理论与实验两个方面的。一个重大的难题， 摆在了卢瑟福面前。
不过， 原子内部的研究， 对人类认识自然界来说， 是一个全新的领域。过去， 人类所认识的自然事物都是肉眼能直接观察到的客观现象， 对这些现象可以直观地加以描述。而现在， 原子看不见、摸不着， 这种直观描述的方法不适用了。那么怎样刻画原子这样的微观物体呢， 物理学家们就更多地采用这样一种方法： 根据一定的实验事实， 运用一些概念对微观物体的状况和性质给出一个假设性的图像； 然后再通过实验去检验， 看看这个假设的图像是否符合研究对象的实际情况。这样一种方法就叫做“模型”方法。被研究、被刻画的物体称为原型， 模型就是对原型的一种形象描述。
对原子内部状况的认识， 物理学家就采用的是模型方法。第一个比较有影响的原子模型就是发现电子的那个英国物理学家汤姆逊提出来的。他设想， 原子是一个圆球。在这个球形的内部均匀地分布着正电荷， 这就是原子的主体。同时， 在这个球形的内部还夹杂着一些带负电荷的电子。而且， 原子里面主体所带的正电荷与所有电子所带的负电荷在数量上是相等的。因此， 对整个原子来说， 它是呈中性的。如果原子内部正电荷多于负电荷， 就是阳离子， 如果正电荷少于负电荷， 就是阴离子。按照汤姆逊提出的原子模型， 原子就像一个圆面包， 其中的电子就像面包中零散分布的葡萄干， 除去“葡萄干”以外的就是带正电荷的主体。这样一个原子结构模型， 被后人形象地称为“葡萄干面包”模型。
这个模型是不是符合原子的真实情况， 还需要用各种实验事实来检验。汤姆逊为了说明他的原子模型是正确的， 借用了一个磁针实验来说明电子在原子中的排列情况。他用一个较大的盛放着液体的容器来代表原子的主体， 用漂浮在液体上面的相对较小的软木塞代表电子。软木塞上嵌有小磁针， 容器正上方有一大磁铁， 这个磁铁通过小磁针对软木塞发生作用， 就像原子内部存在着的静电力。如果原子中只有一个电子， 比如氢原子， 那么液体上只漂浮一个软木塞， 它就处在整个容器的中心； 如果原子中有二个电子， 那么在磁铁作用下， 二个软木塞就漂浮在容器中心的两侧， 如果原子中有三个电子， 那么三个软木塞就排成一个等边三角形； 如果原子中有四个电子， 那么四个软木塞就排成一个正方形。当原子中有较多电子的情况下， 软木塞的布局就不那么规则和稳定了。但是， 如果把原子中的电子分为内层电子和外层电子， 汤姆逊的原子模型居然得出了和门捷列夫元素周期律相类似的电子排列规律。这使得汤姆逊的原子模型受到了赞扬。物理学家们还发现， β射线可以穿过几毫米的铝片。β射线是高速的电子流， 这就是说带负电荷的电子能穿透组成铝片的原子。显然， 那种认为原子是一个不可分割的坚硬小球的传统观念是不对的。因为， 原子若真是不可分割的， 那么电子是无法通过的。这让汤姆逊感到高兴， 他的原子模型可以解释β射线穿过铝片的现象。那就是电子比原子的体积小得多， 而原子里面有足够的空隙， 可以让高速的β射线穿过。这就好像高速的葡萄干打穿了面包。
没有多久， 实验事实就让汤姆逊由高兴转为伤脑筋了。进一步的实验发现， α粒子能穿过很薄的金属镭。α粒子是失去了两个电子的氦原子， 好比是少了两颗葡萄干的小面包。小面包怎么能通过大面包， 这实在是令人难以接受的结论。这或许证明， 汤姆逊的原子模型存在不完全符合原子本身状况的地方。
图3模型不完全符合原型， 那就要修改。对模型进行修改， 依据的还是实验事实。既然是α粒子带来的问题， 那么就对α粒子穿透原子的情况进行更细致的研究。一深入研究， 又发现了令人奇怪的现象。英国物理学家卢瑟福和他的助手在反复用α粒子去轰击金属箔时， 借助仪器观察到大多数射向金属箔( 金箔) 的α粒子都顺利地通过了， 不过它们的飞行路线也产生了偏斜， 偏斜的角度只有几度。可是， 也有少数α粒子， 大约8000 个α粒子中只有一个， 偏斜的角度很大， 有的超过90°， 甚至还有180°的。α粒子飞行路线偏斜180°就是射出去又被弹回来了。这个实验事实使卢瑟福陷入了沉思。是什么作用能使α粒子在进入原子里面以后， 飞行路线产生偏斜， 甚至被反弹回来呢？ 一定是它在原子里面遇到障碍物了。α粒子是比电子重的粒子， 它的质量差不多是电子质量的7000 多倍， 如果α粒子进到原子里面， 碰上的是电子的话， 那么它的飞行线不会产生这么大的偏斜。所以， α粒子遇到的很可能是一个比较重的东西， 而且这个重物的体积不是很大。因为只有少数α粒子的飞行路线产生偏斜， 而大多数α粒子都顺利地通过了。在这样分析的基础上， 卢瑟福猜想， 这个重物可能是带正电荷的， 当带正电荷的α粒子正碰上它的时候， 同性电荷相斥使α粒子反弹回来。卢瑟福的猜想是有道理的。α粒子与一个质量比它大得多的正电荷相遇， 有点像一辆飞速行驶的小汽车与一辆静止不动的大卡车相撞的情况。可又不完全像， 根据库仑定律， α粒子与带正电荷的重物相遇， 会发生强烈的静电斥力， 作用在电荷上的力与电荷所带电量的大小成正比， 与两个电荷之间距离的平方成反比。所以， α粒子越是靠近这个重物， 它受到的斥力就越大。实际上， α粒子并不需要真正同这个重物相碰， 它就会被反弹回来。
1911 年， 卢瑟福提出了一个新的原子模型。他认为， 原子的中央存在一个带正电荷的核， 就是那个重物， 这个核被称为原子核。原子核的体积很小， 它的直径只是原子直径的万分之一。原子核以外的地方比较空旷， 只是散布着一定数量的电子， 这些电子环绕着原子核在不停地运动。这个原子模型描述的原子内部结构的状况， 有点类似太阳系。太阳是太阳系的核心， 它的直径与太阳系的直径相比也是相当的小， 太阳系里面， 水星、金星以及地球等九大行星都在绕太阳这个核心旋转。如果把原子核比做太阳， 则电子就好像是绕太阳为中心旋转运动的行星。所以， 这个原子模型也有人称之为“行星式原子模型”。在这个原子模型中， 卢瑟福还指出， 原子核的体积虽然小， 但是原子的质量几乎都集中在原子核上。而且， 原子的质量越大， 原子核带的正电荷就越多， 相应的原子核外围的电子数目也就越多。
卢瑟福的原子模型发表以后， 在科学界产生了巨大的影响。很多科学家都到他的实验室来表示祝贺， 但当看到他那揭示原子结构奥秘的实验是用比较简单的仪器完成的， 都对他更加钦佩。
卢瑟福的原子有核结构模型， 比汤姆逊的葡萄干面包式原子模型能更好地解释实验结果， 更符合原子结构的实际， 成为原子结构的基本观点。物理学的发展， 已经证明“原子有核”的观点是正确的。物理学家们经过精确的实验和计算， 已经确切地知道， 原子核的直径大约相当于原子直径的万分之一或几万分之一。电子更小， 它的直径大约相当于原子直径的十万分之一。若按体积计算， 原子核的体积与原子的体积相差得更多。如果把一个原子比作一个大教室的话， 那么原子核也不过相当于教室中央的一颗小米粒。
卢瑟福的原子模型优越于汤姆逊的原子模型， 因此很快被物理学家们所接受。那么是不是卢瑟福的原子有核结构模型就非常完善了呢？ 也不是， 科学的发展是逐步深入的。不久， 卢瑟福的原子模型也受到了挑战， 这一挑战是来自理论与实验两个方面的。一个重大的难题， 摆在了卢瑟福面前。
