二、原子與原子核的結(jié)構(gòu)

1、2.原子與原子核的結(jié)構(gòu)西安高新第一中學(xué)劉 穎一沙一世界，一葉一菩提，我們的宇宙看似浩瀚無(wú)邊，但在更高級(jí)的生命看來(lái)有可能僅僅只是一顆“沙?！?，或者說(shuō)一個(gè)微粒。地球在宇宙中是孤單的嗎？這是人類對(duì)宇宙提出的最大疑問(wèn)。為了找尋答案我們?cè)鐾强眨€有一個(gè)更大的疑問(wèn)，那就是宇宙最初是如何形成的。這個(gè)問(wèn)題的答案無(wú)法在太空中找到，而是蘊(yùn)藏在構(gòu)成萬(wàn)物的最微小物質(zhì)中。宇宙的碩大讓人難以想象，但浩瀚宇宙中的巨大物體卻都是由最微小的物質(zhì)構(gòu)成。那就是原子。原子到底有多小呢？如果用一個(gè)原子和一個(gè)橙子比較大小，就相當(dāng)于在用橙子和地球比較大小。想了解極大的物體必須從極小的物體著眼，因?yàn)槊恳粋€(gè)原子都蘊(yùn)藏著解開(kāi)宇宙最大謎題的

2、關(guān)鍵。知道有一個(gè)成語(yǔ)是一葉知秋，從一片樹(shù)就知道秋天到來(lái)了。比如通過(guò)個(gè)別的細(xì)節(jié)就可以看到整個(gè)形勢(shì)的發(fā)展情況，有以小見(jiàn)大的意思?？茖W(xué)家們通過(guò)研究非常微小的原子，來(lái)解開(kāi)詛咒的秘密，就有一葉知秋。古希臘人首先提出理論，認(rèn)為萬(wàn)物都是由一個(gè)個(gè)無(wú)法再切分的微小，但沒(méi)構(gòu)成。他們把這個(gè)微小單位命名為阿托莫斯，也就是我們今天所說(shuō)的原子。英國(guó)物理學(xué)家湯姆生（1856-1940），于1897年通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了電子的存在，并于1904年提出原子結(jié)構(gòu)模型：葡萄干蛋糕模型。 1856年12月18日生于英國(guó)曼徹斯特，父親是一個(gè)專印大學(xué)課本的商人，由于職業(yè)的關(guān)系，他父親結(jié)識(shí)了曼徹斯特大學(xué)的一些教授。湯姆遜從小就受到學(xué)者的影響，學(xué)

3、習(xí)很認(rèn)真，十四歲便進(jìn)入了曼徹斯特大學(xué)。在大學(xué)學(xué)習(xí)期間，他受到了司徒華教授的精心指導(dǎo)，加上他自己的刻苦鉆研，學(xué)業(yè)提高很快。1876年，即二十一歲時(shí)，他被保送進(jìn)了劍橋大學(xué)三一學(xué)院深造。1880年他參加了劍橋大學(xué)的學(xué)位考試，以第二名的優(yōu)異成績(jī)?nèi)〉脤W(xué)位，隨后被選為三一學(xué)院學(xué)員，兩年后又被任命為大學(xué)講師。他在數(shù)物理學(xué)方面具有很高修養(yǎng)。發(fā)表了論渦旋環(huán)的運(yùn)動(dòng)和論動(dòng)力學(xué)在物理學(xué)和化學(xué)中的應(yīng)用論文。1884年，28歲的湯姆遜在瑞利的推薦下，擔(dān)任了卡文迪許實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)教授。1897年湯姆遜在研究稀薄氣體放電的實(shí)驗(yàn)中，證明了電子的存在，測(cè)定了電子的荷質(zhì)比，轟動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)界。1905年，他被任命為英國(guó)皇家學(xué)院的教授

4、；1906年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1916年任皇家學(xué)會(huì)主席。1919年被選為科學(xué)院外籍委員會(huì)首腦。湯姆遜在擔(dān)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)物理教授及實(shí)驗(yàn)室主任的34年，桃李滿天下。1940年8月30日，湯姆遜逝世于劍橋。終年84歲。約瑟夫湯姆生盧瑟福：湯姆生的研究生1911年，盧瑟福根據(jù)粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出原子核式結(jié)構(gòu)模型。該實(shí)驗(yàn)被評(píng)為“物理最美實(shí)驗(yàn)”之一。1919年，盧瑟福做了用粒子轟擊氮核的實(shí)驗(yàn)。他從氮核中打出的一種粒子，并測(cè)定了它的電荷與質(zhì)量，它的電荷量為一個(gè)單位，質(zhì)量也為一個(gè)單位，盧瑟福將之命名為質(zhì)子。他通過(guò)粒子為物質(zhì)所散射的研究，無(wú)可辯駁的論證了原子的核模型，因而一舉把原子結(jié)構(gòu)的研究引上了正確的軌道，

5、于是他被譽(yù)為原子物理學(xué)之父。由于電子軌道也就是原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的矛盾，才導(dǎo)致玻爾提出背離經(jīng)典物理學(xué)的革命性的量子假設(shè)，成為量子力學(xué)的先驅(qū)。人工核反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)是盧瑟福的另一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)。自從元素的放射性衰變被確證以后，人們一直試圖用各種手段，如用電弧放電，來(lái)實(shí)現(xiàn)元素的人工衰變，而只有盧瑟福找到了實(shí)現(xiàn)這種衰變的正確途徑。這種用粒子或射線轟擊原子核來(lái)引起核反應(yīng)的方法，很快就成為人們研究原子核和應(yīng)用核技術(shù)的重要手段。在盧瑟福的晚年，他已能在實(shí)驗(yàn)室中用人工加速的粒子來(lái)引起核反應(yīng)。1. 粒子散射實(shí)驗(yàn)19091911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福和他的助手們進(jìn)行了 粒子散射實(shí)驗(yàn)。 粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及分析

6、：圖像：分析：結(jié)果：結(jié)論：新的原子模型的構(gòu)建 粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：絕大多數(shù) 粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，但少數(shù) 粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，并且有極少數(shù) 粒子的偏轉(zhuǎn)超過(guò)了90，有的甚至幾乎達(dá)到180。根據(jù)湯姆孫模型計(jì)算的結(jié)果：電子質(zhì)量很小，對(duì) 粒子的運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生明顯影響；由于正電荷均勻分布， 粒子所受庫(kù)侖力也很小，故 粒子偏轉(zhuǎn)角度不會(huì)很大。原子的核式結(jié)構(gòu)的提出在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核。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繞著核旋轉(zhuǎn)。小結(jié)原子核的電荷和大小根據(jù)盧瑟福的原子核式模型和 粒子散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以推算出各種元素原子核的電荷數(shù)，還可以估

7、計(jì)出原子核的大小。(1) 原子的半徑約為 10-10m、原子核半徑約是 10 -14m，原子核的體積只占原子的體積的萬(wàn)億分之一。(2) 原子核所帶正電荷數(shù)與核外電子數(shù)以及該元素在周期表內(nèi)的原子序數(shù)相等。(3) 電子繞核旋轉(zhuǎn)所需向心力就是核對(duì)它的庫(kù)侖力。 2.原子核的組成如何研究微小到還沒(méi)有觀察到的原子核的結(jié)構(gòu)？盧瑟福因?yàn)橛醒芯吭咏Y(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)此也是信心滿滿。（1）質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)1919-1921年間，盧瑟福和他的學(xué)生查德威克(1891-1974)發(fā)現(xiàn)氮原子在粒子的轟擊下放出一種帶有正電荷的粒子。思考：如何檢測(cè)該粒子是正電荷呢？他們將這種粒子引入電場(chǎng)和磁場(chǎng)中，并根據(jù)它在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)，測(cè)出了它

8、的質(zhì)量和電量，確定出它就是氫原子核，又稱為質(zhì)子。1921-1924年間，盧瑟福用多種元素進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明十多種輕元素都能發(fā)生衰變并放出那種帶正電荷的粒子，盧瑟福稱這種粒子為質(zhì)子，指出質(zhì)子是原子核的組成部分。質(zhì)子帶正電荷，電荷量與一個(gè)電子所帶電荷量相等。質(zhì)子的質(zhì)量mp=1.6726231*10-27kg（2）中子的發(fā)現(xiàn)盧瑟福的另一個(gè)學(xué)生莫塞萊(18871915)注意到，原子核所帶電荷數(shù)與原子序數(shù)相等，但原子量卻比原子序數(shù)大?；诖?，盧瑟福早在1920年，盧瑟福在一次演講中預(yù)言原子核不可能只由質(zhì)子組成這個(gè)重要推論，提出原子核內(nèi)可能還有與質(zhì)子質(zhì)量相同，但不顯電性的中性粒子。哈金斯在此不久后就給這個(gè)

9、設(shè)想的質(zhì)子電子對(duì)取了一個(gè)恰當(dāng)?shù)拿郑褐凶?。查德威克認(rèn)為盧瑟福的預(yù)言很有道理，并制定了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，力圖找到中子。從1921年起，他用了十年時(shí)間，作了大量實(shí)驗(yàn)，但沒(méi)有得到滿意的結(jié)果。查德威克認(rèn)為盧瑟福的預(yù)言很有道理，并制定了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，力圖找到中子。從1921年起，他用了十年時(shí)間，作了大量實(shí)驗(yàn)，但沒(méi)有得到滿意的結(jié)果。直到1932年，法國(guó)物理學(xué)家伊蓮娜居里(1897-1956)與她的丈夫約里奧居里(1900-1958)用釙放出的粒子轟擊輕金屬元素鈹?shù)陌l(fā)現(xiàn)。通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，查德威克證明了他的想法是正確的：這種中性粒子的質(zhì)量非常接近質(zhì)子的質(zhì)量。按照哈金斯的建議，他把這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的粒子命名為中子。19

10、32年2月，他在美國(guó)自然雜志上發(fā)表題為中子可能存在的論文，報(bào)告了這一成果。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，這種類型的粒子可以從不同的元素中被轟擊出來(lái)。證明了中子也是原子核的組成部分。查德威克也因此獲得1935年的諾貝爾獎(jiǎng)。中子不帶電，用符號(hào)n表示，質(zhì)量mn=1.6749286*10-27kg同年4月到7月間，蘇聯(lián)物理學(xué)家伊凡寧柯和德國(guó)物理學(xué)家海森堡分別提出了原子核結(jié)構(gòu)由質(zhì)子和中子組成的質(zhì)子中子學(xué)說(shuō)。中子和質(zhì)子加在一起就可以解釋所有元素的核結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)是很清楚了，那時(shí)人們把它看成是一種基本粒子。到了1936年，玻爾發(fā)現(xiàn)原子核的密度幾乎相同，因此提出了液滴模型：每個(gè)核粒子就像液滴一樣緊密地壓在一起，就像水由水滴

11、組成一樣。中子的構(gòu)成20世紀(jì)中葉起，人類為了探索微觀世界的奧秘，制造了各種類型的粒子加速器。隨著粒子加速器的功率增加，作為“子彈”的轟擊粒子的能量也越來(lái)越大，發(fā)現(xiàn)也就更多了。20世紀(jì)50年代，美國(guó)物理學(xué)家在用高能電子轟擊質(zhì)子時(shí)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的電荷分布并不均勻。這意味著質(zhì)子也有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)60年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子都是由稱為“夸克”的更小的粒子構(gòu)成。因?yàn)閯傞_(kāi)始認(rèn)為這種粒子有三種，所以，在1964年，蓋爾曼(1929-)將其取名為“夸克”，引自喬伊斯(1882-1941)的怪誕詩(shī)集芬尼根的蘇醒中的一句詩(shī)：“三聲夸克，鼓勵(lì)馬克”。正式提出了基本粒子結(jié)構(gòu)的“夸克模型”。隨著實(shí)驗(yàn)事實(shí)的不斷出現(xiàn)，夸

12、克模型也在不斷修改完善，一直到后來(lái)增加到六種夸克，并且，這一模型在解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)上越來(lái)越成功，人們?cè)絹?lái)越相信夸克是確實(shí)存在于更深層次的物質(zhì)實(shí)體。借助于不斷完善的粒子加速器，又發(fā)現(xiàn)了介子、介子等四百余種比原子核更深一個(gè)層次的物質(zhì)存在形式的粒子。但可惜的是，實(shí)驗(yàn)中從未發(fā)現(xiàn)過(guò)一個(gè)夸克?？紤]到質(zhì)量與能量之間的轉(zhuǎn)化，夸克或許是粒子分割的極限。不過(guò)，人類對(duì)自然界的探索是不會(huì)停止的，微觀世界的神秘面紗還有待于繼續(xù)探索。（3）原子核的符號(hào)原子核的構(gòu)成：質(zhì)子和中子（統(tǒng)稱為 核子）原子核的常用符號(hào)同位素3.質(zhì)能方程核反應(yīng)：如果某種粒子與原子核發(fā)生相互作用，導(dǎo)致核的組成或核的狀態(tài)發(fā)生了改變，這樣的過(guò)程稱為核反應(yīng)。由于原子核內(nèi)的核子之間存在強(qiáng)大的相互作用力，所以核子結(jié)合成原子核或者原子核分解為核子時(shí)，都伴隨著巨大的能量變化，蘊(yùn)藏在原子核中的能量叫做核能。質(zhì)量虧損與能量之間的關(guān)系質(zhì)量虧損：構(gòu)成原子核的分離核子的總質(zhì)量大于原子核的質(zhì)量，這個(gè)質(zhì)量差值我們稱之為質(zhì)量虧損。該質(zhì)量虧損對(duì)應(yīng)的能量我們稱之為結(jié)合能，它是將原子核分離成孤