二、原子的核式结构的发现

一、α 粒子的散射和卢瑟福的原子核式结构模型

为了探测原子内电荷的分布，在二十世纪的头十年里，发展了一种实验方法：用各种粒子——X 射线、电子和 α 粒子轰击很薄的物质层，通过观察这些粒子穿过物质层后的偏转情况，获得原子结构的信息。这种实验叫做散射实验。那时候人们已经知道，α 粒子是一种带正电荷的重粒子，它的电量是电子电量的二倍，它的质量大约是电子质量的 7 300 倍。某些放射性元素放出的 α 粒子具有很大的动能，可以当作轰击粒子，1909 年到 1911 年，在英国物理学家卢瑟福（1871 ~ 1937）指导下，他的合作者们做了用 α 粒子轰击金箔的实验，获得了重要的发现。

实验的做法如下：在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋，它发出的 α 粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线射到金箔上。α 粒子穿过金箔后，打到荧光屏上产生一个个的闪光，这些闪光可以用显微镜观察到。整个装置放在一个抽成真空的容器里，荧光屏和显微镜能够围绕金箔在一个圆周上转动（图 8–2），从而可以观察到穿过金箔后偏转角度不同的 α 粒子。

实验表明，绝大多数 α 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数 α 粒子却发生了较大的偏转，并且有极少数 α 粒子的偏转超过了 90°，有的甚至几乎达到 180°，象是被金箔弹了回来，这就是 α 粒子的散射实验。

α 粒子的大角度散射现象，是出人预料的。因为根据汤姆生原子模型的计算，α 粒子穿过金箔后的偏转最大不超过零点几度，这是因为电子的质量很小，比 α 粒子的质量小得多，α 粒子碰到金箔原子内的电子，就象飞行的子弹碰到尘埃一样，运动方向不会发生明显的改变，正电荷在原子内又是均匀分布的，α 粒子穿过原子时，它受到两侧正电荷的斥力有相当大一部分互相抵消，因而使 α 粒子偏转的力不会很大。

卢瑟福对 α 粒子散射实验的结果进行了分析，得出结论，除非原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上，否则，α 粒子的大角度散射是不可能的。由此，卢瑟福提出了他的原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。

按照这个学说，α 粒子穿过原子时，电子对 α 粒子运动的影响很小，影响 α 粒子运动的主要是原子核。如果离核较远，受到的库仑斥力就很小，运动方向也就改变很小。只有当 α 粒子与核十分接近时，才会受到很大的库仑斥力，发生大角度的偏转（图 8–3）。由于原子核很小，α 粒子十分接近它的机会很少，所以绝大多数 α 粒子基本上仍按直线方向前进，只有极少数发生大角度的偏转。

二、原子核的电荷和大小

根据卢瑟福的原子核式结构模型，可以推导出 α 粒子的散射公式，利用这个公式和不同元素对 α 粒子散射的实验数据，可以计算出各种元素原子核的电荷 Q。当时测得碳的电荷 Q = 6e，铝的 Q = 13e 或 14e，金的 Q = 78e 或 79e，其中 e 是基本电荷。原子核的电荷是研究原子的重要资料，因为知道了某一元素原子核的电荷数，根据原子是电中性的，就可以推算出这种原子内含有的电子数。当时人们还注意到，测出的各种元素的原子核的电荷数，或者说元素原子内的电子数，非常接近于它们的原子序数。这为深入理解元素周期表提供了重要的线索，它说明元素周期表是按原子中的电子数来排列元素的。

从 α 粒子散射实验的数据还可以估计出原子核的大小。因为知道了 α 粒子的初动能和核电荷，就可以计算出 α 粒子跟原子核发生对心碰撞时可能达到的离原子核的最小距离（这时 α 粒子的动能完全转化为核电场中的电势能）。这个最小距离可以达到 10⁻¹⁴ 米。可见原子核的大小应在 10⁻¹⁴ 米以下，原子半径大约是 10⁻¹⁰ 米，所以原子核的半径只相当于原子半径的万分之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一。如果把原子比作直径等于 100 米的大球，那么原子核只相当于直径为 1 厘米的一个小石子。原子核虽小，却集中着原子的几乎全部质量，因此原子核的密度非常大，如果 1 立方厘米的体积中完全充满原子核，那么它的质量将有 10⁷ 吨！

练习一

（1）α 粒子被原子散射的原因是什么？

（2）卢瑟福的原子模型与汤姆生的原子模型，主要区别是什么？

（3）α 粒子的质量大约是电子质量的 7300 倍。如果 α 粒子以速度 v 跟电子发生弹性正碰（假定电子原来是静止的），求碰撞后 α 粒子的速度变化了多少，并由此说明，为什么原子中的电子不能使 α 粒子发生明显的偏转。

（4）已知氢原子的半径是 0.53×10⁻¹⁰ 米，电子不致被吸引到核上，按照卢瑟福的原子模型，电子绕核做匀速圆周运动的速度和频率各是多大？

（5）为什么在计算电子与核之间的引力作用时，可以不考虑万有引力？

发布时间：2025/7/13 下午8:11:13  阅读次数：514