第 16 章 第 1 节 原子 原子结构
第 章 从原子到星系
物理学的不断发展，使我们对物质世界的认识不断深入。我们不仅知道原子的结构，也了解星系的形成和宇宙的演化。人类的目光已不再局限于地球，开始跨越太阳系甚至银河系，奔向广袤而深邃的宇宙。本章我们将学习物质结构的基本知识，了解人类探索微观世界和宇宙的历程，欣赏奇妙而有趣的物质世界。
通过本章内容的学习，你将了解原子及原子的核式结构，太阳系及宇宙的演化；知道物质世界的大致尺度，初步形成物质观念；感悟人类为探索物质世界奥秘所付出的努力和取得的成就。
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原子 原子结构
2 300 多年前的中国古代哲学家认为，“一尺之棰，日取其半，万世不竭”，提出了物质无限可分的思想。而同时代的古希腊哲学家则认为，物质存在不可再分的最小微粒，即原子。在希腊语中原子一词即有不可分之意。那么，构成物质的最小微粒真的存在吗？
什么是原子？
19 世纪初，英国科学家道尔顿（J. Dalton，1766—1844）在研究化学反应时发现，物质是由在化学反应中保持不变的最小单元构成的，或者说，构成物质的最小单元在化学反应中保持不变。道尔顿把这个最小单元称为原子（atom）。如图 16–1–2 所示，碳完全燃烧时，与氧气反应生成二氧化碳，但碳原子和氧原子在
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燃烧前后都没有发生变化。我们所知道的常见物质是由分子、原子构成的，而分子又是由原子构成的。道尔顿通过科学实验将原子变成了一个科学概念，是对物质结构认识的一个飞跃。
一张 10 cm 的纸条，每次都将其截成两段，多少次后就到原子的尺度了？（提示：210 ≈ 103）
原子有多大？
原子非常小，小到什么程度呢？平均来说，一个原子的直径约为 10−10 m，也就是说，100 000 000 个原子紧密地排列成一行，长度也大约只有 1 cm。一根头发的直径大约可以排列 60 万个以上的原子。要想看到原子，普通的显微镜是无能为力的，必须使用扫描隧道显微镜或原子力显微镜，图 16–1–1 是我国物理学家利用扫描隧道显微镜拍摄的单层碳原子照片。
我们在表示各种物理量的时候，为了方便，会使用一些前缀（称为数量级词头）来表示不同的量级，如毫米即千分之一米，纳米即十亿分之一米，等等。具体可见表 16–1–1。
| 前缀 | 太(T) | 吉(G) | 兆(M) | 千(k) | 毫(m) | 微(μ) | 纳(n) | 皮(p) | 飞(f) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 量级 | 1012 | 109 | 106 | 103 | 10−3 | 10−6 | 10−9 | 10−12 | 10−15 |
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原子的核式结构模型示意图
原子有内部结构吗？
原子概念被提出后，人们一开始认为原子是没有内部结构、不可再分的实心小球。1897 年英国物理学家汤姆孙（J. J. Thomson，1856—1940）通过对阴极射线的研究，发现了比原子小得多的带负电的粒子，称为电子（electron），这是人类发现的第一个比原子更小的微观粒子。电子的质量很小，大约只有氢原子质量的二千分之一。
电子的发现说明原子并不是构成物质的最小微粒，原子是有结构的，电子是原子的构成部分。由于电子带负电，而原子是电中性（对外不显电性）的，因此原子必定包含带正电的部分。汤姆孙由此提出了原子的结构模型——枣糕模型，即原子中的正电荷均匀分布在整个原子球体内，而电子则嵌在其中，如图 16–1–3 所示。这个模型虽然能解释原子的电中性，但并没有得到更多实验的支持。
英国物理学家卢瑟福（E. Rutherford，1871—1937）根据 α 粒子散射实验的研究在 1911 年提出了原子的核式结构模型（nuclear structure model），也称行星模型（图 16–1–4）。即原子的质量几乎全部集中在尺度很小的核心区域，称为原子核（nucleus），原子核带正电，半径约为 10−15 m，而电子则在核外绕原子核运动。卢瑟福的核式结构模型能很好地解释一些实验现象。
原子的尺度要比原子核大近 10 万倍，如果把原子比作体育场，那原子核就只有蚂蚁那么大。
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原子核还有结构吗？
原子的核式结构被发现之后，物理学家又开始探索原子核的结构。为此，卢瑟福做了大量用 α 粒子轰击各种原子核的实验，并于 1919 年发现了一个新的带正电的粒子，称为质子（proton）。因为各种不同的原子核都能打出质子，所以可以确认质子是原子核的构成部分。质子实际上就是最简单的原子核——氢原子核。根据对质子质量和电荷的测量，卢瑟福预言原子核中一定还有另一种粒子——中子（neutron）。1932 年，英国物理学家查德威克（J. Chadwick，1891—1974）在实验中发现了中子。
中子的发现不仅确立了原子核的结构，也敲开了人类开发利用核能的大门，具有重大的科学意义。实验发现，中子不带电，质量比质子稍大。α 粒子实际上就是氦原子核，由 2 个质子和 2 个中子构成。
从 1897 年发现电子开始，经过 30 多年的研究，人们对原子及原子结构有了比较清晰的认识。原子是由集中了绝大部分质量的原子核与核外电子构成的，原子核又是由质子和中子构成的，其中质子的数量与核外电子数相同，以保证原子是电中性的。那么，质子和中子还有结构吗？
随着物理学的不断发展，人们对物质结构的认识也在不断深入。1964 年，美国物理学家盖尔曼（M. Gell-Mann，1929—2019）又提出了夸克模型，认为质子和中子都是由更小的微粒——夸克构成的。电子和夸克是目前已知构成常见物
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质的最小微粒。图 16–1–5 是原子及原子核结构的示意图。
电子和夸克是否还有结构，是否由更小的微粒构成，将是未来物理学进一步研究探索的目标。
卢瑟福（图 16–1–6），英国著名物理学家，为近代物理学的发展作出了极为重要的贡献。他开创了原子物理学这一新的学科，物理学从此进入了原子时代。他也是核物理及现代核技术的开创者。卢瑟福是一位出色的实验物理学家，有着非凡的物理直觉。在他指导下进行的 α 粒子散射实验本来是想证明其导师汤姆孙的枣糕模型，实验结果却否定了枣糕模型。卢瑟福不迷信权威，而是进行了进一步研究，并由此提出了原子的核式结构模型。
卢瑟福的原子核式结构模型虽然取得了很大的成功，但也存在严重的缺陷，即无法解释原子的稳定性。在这一模型的基础上，丹麦物理学家玻尔（N. H. D. Bohr，1885—1962）在 1913 年提出了原子结构的玻尔模型，不仅解决了原子结构的稳定性问题，也为 20 世纪物理学最伟大的理论之一—量子力学的诞生奠定了基础。
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1．原子、电子、质子和中子具有不同的质量，将它们按质量从大到小排列。
2．比较道尔顿、汤姆孙和卢瑟福对原子的描述，有什么相同和不同之处？
3．写出原子、原子核、电子、质子、中子之间的从属关系。
4．构成常见物质的最小微粒存在吗？简述你的理由。
发布时间：2026/7/9 10:11:14 阅读次数：27