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第24章:原力之魂★

异族文明 梦的精灵樱花 2049 2021.04.14 21:28

  古希腊原子论有以下5个要点:

  所有物体都是由原子构成的,原子极小,看不到,不能继续被分割成更小的组成部分;

  原子之间是虚空。古希腊原子论者的“虚空”就是“真空”;

  原子完完全全是实实在在的固体。换句话说,原子内部不再有虚空;

  原子是均一的,或者说,是没有内部结构的;

  原子是不同的。即大小不同,形状不同,重量(质量)不同。

  (2)道尔顿原子论

  1805年道尔顿明确地提出了他的原子论,这个理论的要点有:每一种元素有一种原子(他称其为“简单原子”);同种原子质量相同,不同种原子质量不同;原子不可再分;一种原子不会转变为另一种原子;化学反应只是改变了原子的结合方式,使反应前的物质变成反应后的物质。道尔顿还创立了相对原子质量的概念,认为相对原子质量是一种原子不同于另一种原子的本质特征。正是道尔顿的原子的概念明确地与化学元素挂起钩来,道尔顿的原子论可称为“化学原子论”。道尔顿建立的化学原子论揭示了物质的组成和化学变化的本质,确立了化学组成和变化的定量基础,开创了化学的现代发展。

  (3)汤姆生原子模型和卢瑟福原子模型

  1897年汤姆生发现原子中存在电子以后,又于1904年提出了一种原子模型,认为原子是一个平均分布着正电荷的粒子,其中镶嵌着许多电子,中和了正电荷,从而形成了中性原子。

  1911年卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出了“行星系式”原子模型:“在原子的中心有一个带正电荷的核,它的质量几乎等于原子的全部质量,电子在它的周围沿着不同的轨道运动,就像行星环绕太阳运转一样。电子在运转时产生的离心力和原子核对电子的吸引力达到平衡,因此电子能够与原子核保持一定的距离,正像行星和太阳保持一定的距离一样。原子越重,正电荷也就越大,电子数也越多。”

  (4)波尔原子模型

  卢瑟福的原子带核模型中没有原子核外电子的结构。1913年,年轻的丹麦物理学家玻尔在总结当时最新的物理学发现(普朗克黑体辐射和量子概念、爱因斯坦光子论、卢瑟福原子带核模型等)的基础上建立了氢原子核外电子运动模型,解释了氢原子光谱,后人称为玻尔理论,该理论的主要内容包括“行星模型”“定态假设”“量子化条件”“跃迁规则”等内容。波尔原子模型认为:电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速的圆周运动。

  (5)原子结构(核外电子运动)的量子力学模型

  20世纪20年代以来的现代模型(电子云模型):

  电子绕核运动形成一个带负电荷的云团,对于具有波粒二象性的微观粒子在一个确定时刻其空间坐标与动量不能同时测准,这是德国物理学家海森堡在1926年提出的著名的不确定性原理。[1]

  卢瑟福实验

  实验内容:

  实验用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔,发现绝大多数的α粒子都照直穿过薄金箔,偏转很小,但有少数α粒子发生角度比汤姆生模型所预言的大得多的偏转,大约有1/8000 的α粒子偏转角大于90°,甚至观察到偏转角等于150°的散射,称大角散射,更无法用汤姆森模型说明。

  1911年卢瑟福提出原子的有核模型(又称原子的核式结构模型),与正电荷联系的质量集中在中心形成原子核,电子绕着核在核外运动,由此导出α粒子散射公式,说明了α粒子的大角散射。卢瑟福的散射公式后来被盖革和马斯登改进了的实验系统地验证。根据大角散射的数据可得出原子核的半径上限,此实验开创了原子结构研究的先河。这个实验推翻了J.J.汤姆森在1903年提出的原子的葡萄干圆面包模型,认为原子的正电荷和质量联系在一起均匀连续分布于原子范围,电子镶嵌在其中,可以在其平衡位置作微小振动,为建立现代原子核理论打下了基础。

  实验结论:

  原子是电中性的,核带有的正电荷等于核外电子的总负电荷。对原子序数为Z的原子,核带正电+Ze。核的电荷数是一个严格的整数,它等于核内的质子数。质子带正电+e,与电子的电量相等。

  实验意义:

  卢瑟福的理论开拓了研究原子结构的新途径,为原子科学的发展立下了不朽的功勋。然而,在当时很长的一段时间内,卢瑟福的理论遭到物理学家们的冷遇。卢瑟福原子模型存在的致命弱点是正负电荷之间的电场力无法满足稳定性的要求,即无法解释电子是如何稳定地待在核外。1904年长岗半太郎提出的土星模型就是因为无法克服稳定性的困难而未获成功。因此,当卢瑟福又提出有核原子模型时,很多科学家都把它看作是一种猜想,或者是形形色色的模型中的一种而已,而忽视了卢瑟福提出模型所依据的坚实的实验基础。

  原子核组成结构

  原子核由带正电的质子和不带电的中子组成;质子和中子又是由夸克和中微子组成。

  质子

  质子是一种带正电荷的亚原子粒子,直径约 1.6~1.7×10^(-15)m ,质量是938百万电伏特/c²(MeV/c²),即1.672621637(83)×10^(-27)m千克,大约是电子质量的1836.5倍,质子比中子稍轻。质子属于重子类,由两个上夸克和一个下夸克通过胶子在强相互作用下构成。原子核中质子数目决定其元素的种类和它属于何种化学元素。质子数=原子序数(就是元素序号)=核外电子数,中子数=质量数-质子数。

  应用:

  物理中质子常被用来在加速器中加速到近光速后用来与其它粒子碰撞。这样的试验为研究原子核结构提供了极其重要的数据。慢速的质子也可能被原子核吸收用来制造人造同位素或人造元素。核磁共振技术使用质子的自旋来测试分子的结构。

  

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