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1、第十章原子和原子核原子與原子核的結(jié)構(gòu)玻爾的原子模型能級天然放射現(xiàn)象衰變裂變聚變第一節(jié)原子與原子核的結(jié)構(gòu)電子發(fā)現(xiàn)以后，人們普遍認識到電子是一切元素的原子的基本組成部分。但通常情況下原子是呈電中性的，這表明原子中還有與電子的電荷等量的正電荷，所以，研究原子的結(jié)構(gòu)首先要解決原子中正負電荷怎樣分布的問題。從1901年起，各國科學家提出各種不同的原子模型。一、湯姆生的原子模型第一個比較有影響的原子模型，是J.J.湯姆生于1904年提出的“電子浸浮于均勻正電球”中的模型。他設想，原子中正電荷以均勻的密度連續(xù)地分布在整個原子中，原子中的電子則在正電荷
2、與電子間的作用力以及電子與電子間的斥力的作用下浮游在球內(nèi)，這種模型被俗稱為“葡萄干布丁模型（棗糕模型）”，如圖10-1所示。圖10-1湯姆生的葡萄干布丁模型湯姆生還認為，不超過某一數(shù)目的電子將對稱地組成一個穩(wěn)定的環(huán)或球殼；當電子的數(shù)目超過一定值時，多余電子組成新的殼層，隨著電子的增多將造成結(jié)構(gòu)上的周期性。因此他設想，元素性質(zhì)的周期變化或許可用這種電子分布的殼層結(jié)構(gòu)作出解釋。但他的原子模型很快被進一步的實驗所否定，因為不能解釋射線的大角度散射現(xiàn)象。二、α粒子散射實驗盧瑟福從1904年到1906年6月，做了許多射線通過不同厚度的空氣、云母片
3、和金屬箔的實驗。英國物理學家W.H.布拉格在1904－1905年也做了這樣的實驗。他們發(fā)現(xiàn)，在此實驗中射線速度減慢，而且徑跡偏斜了（即發(fā)生散射現(xiàn)象）。在盧瑟福的指導下，蓋革和青年研究生馬斯頓于1909年3月用鐳作放射源，進行粒子穿射金屬箔（先后用了金箔和鉑箔）的實驗，精心測量數(shù)量極少的大角度散射粒子，如圖10-2所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)約有八千分之一的入射粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角平均為90°，其中有的甚至反彈回來，如圖10-3所示。粒子的這種超過90°的反常的散射現(xiàn)象，使盧瑟福十分驚訝，雖然他事前對大角度散射做過一些推測。圖10-2α粒子散射實
4、驗圖10-3α粒子散射實驗結(jié)果三、原子有核模型1910年12月，盧瑟福對大角度散射過程的受力關(guān)系進行計算，得出一個新的原子結(jié)構(gòu)設想——原子有核模型，如圖10-4所示。他認為粒子是在同作為靶的金屬箔的原子一次碰撞中改變其方向的，因此原子中有一個體積很小、質(zhì)量很大的帶正電荷的原子核，它對帶正電荷的粒子的很強的排斥力使粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。原子核的體積很小，其直徑約為原子直徑的萬分之一至十萬分之一，核外是很大的空的空間，帶負電的、質(zhì)量比核輕得多的電子在這個空間里繞核運動。圖10-4盧瑟福原子模型四、原子核的組成1919年，盧瑟福粒子去轟擊氮、氟
5、、鉀等元素的原子核，結(jié)果都發(fā)現(xiàn)有一種微粒產(chǎn)生，電量是1，質(zhì)量是1，這樣的微粒正是質(zhì)子。因此，人們斷定，質(zhì)子是原子核的組成部分。一開始，人們認為原子核只是由質(zhì)子組成的。但是，這不能解釋核的質(zhì)量和原子核所帶的電荷量。如果原子核只是由質(zhì)子組成，那么，某種原子核的質(zhì)量與質(zhì)子質(zhì)量之比，應該等于這種原子核的電荷和質(zhì)子電荷之比。實際上，絕大多數(shù)的原子核的質(zhì)量與質(zhì)子質(zhì)量之比都大于核的電荷與質(zhì)子電荷之比。盧瑟福猜想原子核內(nèi)可能還存在著另一種粒子，質(zhì)量和質(zhì)子相等，但是不帶電，他將這種粒子稱為中子。盧瑟福的這種猜想被他的學生查德威克用實驗證實。精確的測量表明
6、，中子的質(zhì)量非常接近于質(zhì)子的質(zhì)量。發(fā)現(xiàn)中子以后，人們很快認識到原子核是由質(zhì)子和中子組成的，很多問題也得到了解釋。原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶電，中子不帶電，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。原子核所帶的電荷等于核內(nèi)質(zhì)子所帶電荷的總數(shù)，叫做原子核的質(zhì)子數(shù)，也稱為電荷數(shù)，用Z來表示，原子核的質(zhì)量數(shù)用A表示。原子核常用符號表示，其中X為元素符號，A為原子核的質(zhì)量數(shù)，Z為原子核中的質(zhì)子數(shù)。例如，代表質(zhì)子數(shù)為2、質(zhì)量數(shù)為4的氦核；代表電荷數(shù)為92、質(zhì)量數(shù)為235的鈾核。練習與思考盧瑟福是因何提出原子有核模型結(jié)構(gòu)的？第二節(jié)玻爾的原子模型能級盧瑟福的原子有核模
7、型學說很好地解釋了粒子散射實驗，初步建立了原子結(jié)構(gòu)的正確圖景，但是和經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾：既然核外電子沒有被庫侖力吸引到核上，它一定以很大的速度繞核運動，這樣電子會不停地輻射能量，自身的能量不斷減少，最后“跌落”在原子核上，但是這樣的事情并沒有發(fā)生。這個矛盾表明，從宏觀現(xiàn)象總結(jié)出來的經(jīng)典電磁理論不適用于微觀粒子。1913年，丹麥物理學家玻爾（1885—1962年）突破了經(jīng)典物理學的局限，提出了他的原子理論，其主要內(nèi)容為：1．定態(tài)假設原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，這些狀態(tài)叫做定態(tài)。在每個狀態(tài)中，原子的
8、能量值都是確定的，這個能量值叫做能級。2．躍遷假設原子可以從一個能級躍遷到另一個能級。原子在由高能級向低能級躍遷時，放出一個光子；在吸收一個光子或通過其他途徑獲得能量時，則由低能級向高能級躍遷，如圖10-5
