原子结构的发现

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1、原子结构的发现电子：汤姆孙,J.J.(Jospeh John Thomson,18571940)英国物理学家,电子的发现者。1856年12月18日生于曼彻斯特郊区齐山姆的一个出版商家庭。14时进欧文学院学习。他原想成为工程师，在一位物理教师影响下决心转攻物理学。1876年成为剑桥大学三一学院的数学研究生。1880年，他通过了一项艰难而荣誉的考试，继1854年麦克斯韦以后第二位取得数学优等荣誉学位。次年，成为三一学院研究员。1884年春被选为英国皇家学会会员，随后转入卡文迪什实验室工作。1884年2月他完成精确测定电量绝对单位与电磁单位比值等实验研究，即被评选为卡文迪什实验室教授，接替瑞利的主任

2、职位，这时他年仅27岁。1905年接替瑞利担任皇家学院自然哲学教授。19111913年任英国皇家学会副会长，19151920年任会长。1918年起担任三一学院院长。1919年他辞去长达34年的卡文迪什实验室教授职位，推荐他的学生卢瑟福继任，而自己留在实验室继续进行研究工作又长达21年。1940年8月30日在剑桥逝世。汤姆孙最重要的贡献是发现了电子。最初，由于对麦克斯韦的电磁辐射理论感兴趣，他进行了阴极射线的研究。X射线的发现使人们对气体电离行为的考察更加深人，在阴极射线本质的争论中他明确支持粒子说。接着他用一个巧妙的实验成功地证实了阴极射线在电场和磁场中发生偏转这是判定阴极射线确实是带电粒子的

3、决定性证据。继而，他采用静电偏转力和磁场偏转力相抵消等方法确定阴极射线粒子的速度，测量出这些粒子的荷质比，并进一步测出它们的质量约为氢原子质量的11837。由此推断，阴极射线粒子比原子要小得多，可见这种粒子是组成一切原子的基本材料。汤姆孙于1807年4月30日宣布了他的发现。后来人们命名这种粒子为电子。电子是人类所认识的第一种基本粒子。此后，他又提出了“电子浸浮于均匀正电球”的原子结构模型（汤姆孙模型）。该模型虽然在后来被卢瑟福的核原子模型所替代，但它是建立原子结构模型的开端。1906年，由于汤姆孙对电子研究的重要贡献而被授予诺贝尔物理奖。1908年又被册封为爵士。汤姆孙的另一个重要贡献是在研

4、究极隧射线（穿过阳极细孔的带正电的粒子流）时发展了质谱方法。他的方法经过同事F.阿斯顿（F.W.Aston，18771945）的改进和完善，发展为今天的质谱仪。在极隧射线的研究中，他根据实验现象最先指出，普通元素也可能有同位素。1913年首次用物理方法成功地分离出了稳定元素的同位素，从而确立了这一事实。他也是经典金属电子论的创始人之一。此外，汤姆孙还是一位卓越的教师和科研事业领导人，他在担任卡文迪什实验室教授期间。创建了完整的研究生培养制度和培育了良好的学术风气。他理论与实验并重，特别提倡自制仪器，又善于抓住要害，进行精确的理论分析。他的博学、敏捷、科学直觉、想象力与创造力带领着一大批学者前进

5、在科学前沿上，使卡文迪什实验室成为国际物理前沿研究中心之一。他的学生有7人获诺贝尔奖，27人取得英国皇家学会会员资格。他还努力促进大学与中学物理教学的提高，写出了几本出色的教材。英国能够在20世纪前30年在原子物理学领域保持重要的领先地位，汤姆孙的有力指导和优秀教学能力起了相当作用。 质子：质子是1919年，E.卢瑟福任卡文迪许实验室主任时，用粒子轰击氮原子核后射出的粒子，命名为proton，这个单词是由希腊文中的“第一”演化而来的。欧内斯特·卢瑟福被公认为质子的发现人。1918年他注意到在使用粒子轰击氮气时他的闪烁探测器纪录到氢核的迹象。卢瑟福认识到这些氢核唯一可能的来源是氮原子，

6、因此氮原子必须含有氢核。他因此建议原子序数为1的氢原子核是一个基本粒子。在此之前尤金·戈尔德斯坦（Eugene Goldstein）就已经注意到阳极射线是由正离子组成的，但他没有能够分析这些离子的成分。 原子核中所含质子数等于该元素的原子序数。氢原子最常见的同位素的原子核由一个质子构成。其它原子的原子核则由质子和中子在强相互作用下构成。在水中被溶解的氢离子实际上就是质子。质子在化学和生物化学中起非常大的作用。可以在水溶液中提供质子的物质一般被称为酸，可以在水溶液中吸收质子的物质一般被称为碱。 质子静止质量938MeV，是电子的1836倍。带有+1元电荷（约1.60×10-1

7、9 C），量值与电子电荷绝对值相同。质子是稳定粒子，平均寿命大于1032年。高能电子、子或中微子轰击质子的散射实验表明质子的电荷和磁矩有一定的空间分布，因此质子不是点粒子，而具有一定的结构。目前认为质子是由所谓夸克的基本粒子构成，由两个+2/3电荷的上夸克和一个-1/3电荷的下夸克通过胶子在强相互作用下构成。 质子与质子间，除了有电磁相互作用之外，还有强得多的强相互作用。这种强相互作用与质子中子间以及中子中子间的强相互作用完全相同，是构成结合为原子核的核力。核力与电荷的无关性说明质子与中子可以看成是同一种粒子的两种不同电荷状态，这一性质导致用同位旋概念来描述：质子和中子是同位旋I相同、同位旋第

8、三分量I3不同的两种状态，原子核的同位旋可由质子和中子的同位旋“合成”得到。 质子是核物理和粒子物理实验研究中用以产生反应的很重要的轰击粒子，在核物理中质子常被用来在粒子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。质子也是宇宙射线中的主要成分。中子：1932年初，著名物理学家居里夫人的女婿约里奥·居里，在实验时发现了一种不带电的中性射线，它的穿透力极强。根据当时科学发现的己知结果，穿透力最强，而又不带电的中性射线，只有伽马射线。因此，约里

9、奥·居里认为它就是伽马射线。接着，他又发现这种射线的能量比已知的伽马射线大8倍。这种情况说明，存在着一种新射线的可能性。此时只要他开动脑筋，继续实验下去，他很有可能发现这是一种由新的粒子组成的射线。但他没有这样思考，仍把这种射线解释为伽马射线，并将实验结果和自己的解释发表在法兰西科学院的研究简报上。      一位英国物理学家查德威克阅读了约里奥的报告后，立刻重复了他的实验，结果是一样的，那种类似于伽马射线的奇怪射线又出现了。但是，查德威克没有囿于人们已知的概念，而是大胆设想，并进行了一系列的实验，终于证明这种不带电的中性粒

10、子，不是构成伽马射线的光子，而是中子。为此查德威克获得了1935年度的诺贝尔物理学奖。1897年，J.J.汤姆逊在研究阴极射线的时候，发现了原子中电子的存在。这打破了从古希腊人那里流传下来的“原子不可分割”的理念，明确地向人们展示：原子是可以继续分割的，它有着自己的内部结构。那么，这个结构是怎么样的呢？汤姆逊那时完全缺乏实验证据，他于是展开自己的想象，勾勒出这样的图景：原子呈球状，带正电荷。而带负电荷的电子则一粒粒地“镶嵌”在这个圆球上。这样的一幅画面，也就是史称的“葡萄干布丁”模型，电子就像布丁上的葡萄干一样。但是，1910年，卢瑟福和学生们在他的实验室里进行了一次名留青史的实验。他们用粒子

11、（带正电的氦核）来轰击一张极薄的金箔，想通过散射来确认那个“葡萄干布丁”的大小和性质。但是，极为不可思议的情况出现了：有少数粒子的散射角度是如此之大，以致超过90度。对于这个情况，卢瑟福自己描述得非常形象：“这就像你用十五英寸的炮弹向一张纸轰击，结果这炮弹却被反弹了回来，反而击中了你自己一样”。卢瑟福发扬了亚里士多德前辈“吾爱吾师，但吾更爱真理”的优良品格，决定修改汤姆逊的葡萄干布丁模型。他认识到，粒子被反弹回来，必定是因为它们和金箔原子中某种极为坚硬密实的核心发生了碰撞。这个核心应该是带正电，而且集中了原子的大部分质量。但是，从粒子只有很少一部分出现大角度散射这一情况来看，那核心占据的地方是

12、很小的，不到原子半径的万分之一。于是，卢瑟福在次年（1911）发表了他的这个新模型。在他描述的原子图象中，有一个占据了绝大部分质量的“原子核”在原子的中心。而在这原子核的四周，带负电的电子则沿着特定的轨道绕着它运行。这很像一个行星系统（比如太阳系），所以这个模型被理所当然地称为“行星系统”模型。在这里，原子核就像是我们的太阳，而电子则是围绕太阳运行的行星们。但是，这个看来完美的模型却有着自身难以克服的严重困难。因为物理学家们很快就指出，带负电的电子绕着带正电的原子核运转，这个体系是不稳定的。两者之间会放射出强烈的电磁辐射，从而导致电子一点点地失去自己的能量。作为代价，它便不得不逐渐缩小运行半径

13、，直到最终“坠毁”在原子核上为止，整个过程用时不过一眨眼的工夫。换句话说，就算世界如同卢瑟福描述的那样，也会在转瞬之间因为原子自身的坍缩而毁于一旦。原子核和电子将不可避免地放出辐射并互相中和，然后把卢瑟福和他的实验室，乃至整个英格兰，整个地球，整个宇宙都变成一团混沌。不过，当然了，虽然理论家们发出如此阴森恐怖的预言，太阳仍然每天按时升起，大家都活得好好的。电子依然快乐地围绕原子打转，没有一点失去能量的预兆。而丹麦的年轻人尼尔斯.玻尔照样安安全全地抵达了曼彻斯特，并开始谱写物理史上属于他的华彩篇章。玻尔没有因为卢瑟福模型的困难而放弃这一理论，毕竟它有着粒子散射实验的强力支持。相反，玻尔对电磁理论

14、能否作用于原子这一人们从未涉足过的层面，倒是抱有相当的怀疑成分。曼彻斯特的生活显然要比剑桥令玻尔舒心许多，虽然他和卢瑟福两个人的性格是如此不同，后者是个急性子，永远精力旺盛，而他玻尔则像个害羞的大男孩，说一句话都显得口齿不清。但他们显然是绝妙的一个团队，玻尔的天才在卢瑟福这个老板的领导下被充分地激发出来，很快就在历史上激起壮观的波澜。1912年7月，玻尔完成了他在原子结构方面的第一篇论文，历史学家们后来常常把它称作“曼彻斯特备忘录”。玻尔在其中已经开始试图把量子的概念结合到卢瑟福模型中去，以解决经典电磁力学所无法解释的难题。但是，一切都只不过是刚刚开始而已，在那片还没有前人涉足的处女地上，玻尔

15、只能一步步地摸索前进。没有人告诉他方向应该在哪里，而他的动力也不过是对于卢瑟福模型的坚信和年轻人特有的巨大热情。玻尔当时对原子光谱的问题一无所知，当然也看不到它后来对于原子研究的决定性意义，不过，革命的方向已经确定，已经没有什么能够改变量子论即将崭露头角这个事实了。人类对物质结构认识的发展简史从古代到现代，人们对物质结构的认识，特别是对原子的认识，经历着不断深化、完善的漫长历史过程。这个过程至今还未结束，人们对这个问题的研究，还在不断地发展中。远在公元前，古代的人们就对“宇宙是由什么东西构成的？”“宇宙是连续的，还是不连续的？”两个问题提出了不同的看法。公元前四百五十年以前，希腊哲学家德谟克里

16、特继承了刘基伯最先提出“原子论”，他认为宇宙万物都由最微小、坚硬、不可入，不可分割的物质粒子所构成。这种粒子叫做原子。宇宙万物间的千差万别都来自组成它的原子在数目，形状和排列上的不同所致。同时期，我国春秋战国时代，一些著名的思想家如惠施、墨子等也都从不同角度提出了物质有不能再分的最小单位的观点。但当时这种观点主要是哲学家的一种朴素的、唯物的直觉想象，是一种哲学臆想。中国古代还有一种有关物质构成的五行学说，就是把构成物质的材料分成金、木、水、火、土五类。大约到了战国时代五行学说得到了发展，意义范围扩大了。一种是五行相胜说，如“水胜火、火胜金、金胜木、木胜土、土胜水”。如此构成一个循环，相互制约。

17、另一种是五行相生说，“木生火、火生土、土生金、金生水、水生木”，也构成一个循环。中国从战国到秦汉转入炼丹术时期，公元7至9世纪，炼丹术由中国传播到阿拉伯，促进了炼金术的发展。公元11、12世纪，炼金术又由阿拉伯传到欧洲，这样经过了一段很长的历史时期，人们对物质结构的研究没有新的发展。随着生产和科技的发展，人们的注意力又转到冶金、酿酒、染色和玻璃等跟手工业生产有关的实用化学方面的研究。一直到公元17世纪末，18世纪初，1703年，德国化学家斯塔尔提出了燃素学说，认为火是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。这种由火微粒构成的火元素就是“燃素”。人们的注意力又回到物质结构的研究。燃素说虽未能正确解

18、释燃烧现象，但结束了炼金术对化学的统治。1777年，法国化学家拉瓦锡发现氧气，使人们对燃烧现象有了科学的解释，从而彻底推翻了统治化学一百余年的燃素学说。19世纪，主要在19世纪后期，科学的发展和一些重大发现，促使人们对物质结构，尤其是对原子结构的认识有了很大的进展。1803年，英国科学家道尔顿发表原子学说，其主要内容为：一切元素都是由不能再分割的。不能毁灭的微粒所组成，这种微粒称为原子。同一种元素的原子，其质量、性质都相同。不同元素的原子，其质量、性质都不相同。两种不同元素的化合物，是一种元素的一定数目的原子与另一种元素的一定数目的原子形成的复杂原子（按现代说法应为分子）。1860年，意大利化

19、学家康尼查罗在卡尔斯鲁厄国际化学家代表大会上散发了他论证分子学说的小册子。从道尔顿到康尼查罗，经历了五十多年的时间，终于形成了比较完整的原子一一分子论，其主要内容为：一切物质都是由分子组成，而分子是由原子组成的。分子是物质能够独立存在，且保持物质化学性质的最小微粒。原子是构成分子的更小微粒。它是物质进行化学反应的基本粒子，原子一般不能独立存在。同种原子化学性质相同，质量相同。不同原子化学性质和质量都不相同。单质分子由同种原子组成，化合物分子由不同种原子组成。分子的质量等于组成它的原子质量总和。分子和原子都在不断地运动。l889年，英国物理学家汤姆逊提出原子“浸入模型”，他提出电子浸入“均匀分布

20、的正电性球体”的原子模型，修正了道尔顿的原子不可分的说法。1911年，加拿大物理学家卢瑟福提出原子“含核模型”，他认为原子中的正电荷并不是“均匀分布的”，原子中的正电荷是密集在一个很小的、坚实的，叫做原子核的区域内。电子围绕着它作高速运动，原子中的电子数等于核的正电荷数。1923年，丹麦物理学家玻尔提出“行星式原子模型”，说明了原子的电子层结构，他认为原子的核外电子是在固定轨道上绕核运动的。1926年，奥地利物理学家薛定谔提出原子“波动力学模型”，他认为电子是围绕着原子核的三维波。1932年，英国物理学家查德威克用粒子轰击发现了中子，同时期，物理学家约里奥居里夫妇也同样证实了中子的存在。1932年5月前苏联物理学家伊凡宁柯提出“质子、中子学说”，他认为中子和质子一起存在于原子核中，至此，人类对物质结构才有了比较科学的认识。