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第十章 原子和原子核 原子与原子核的结构 玻尔的原子模型 能级 天然放射现象 衰变 裂变 聚变 第一节 原子与原子核的结构 电子发现以后，人们普遍认识到电子是一切元素的原子的基本组成部分。但通常情况下原子是呈电中性的，这表明原子中还有与电子的电荷等量的正电荷，所以，研究原子的结构首先要解决原子中正负电荷怎样分布的问题。从1901年起，各国科学家提出各种不同的原子模型。 一、汤姆生的原子模型 第一个比较有影响的原子模型，是J.J.汤姆生于1904年提出的“电子浸浮于均匀正电球”中的模型。他设想，原子中正电荷以均匀的密度连续地分布在整个原子中，原子中的电子则在正电荷与电子间的作用力以及电子与电子间的斥力的作用下浮游在球内，这种模型被俗称为“葡萄干布丁模型（枣糕模型）”，如图10-1所示。 图10-1 汤姆生的葡萄干布丁模型 汤姆生还认为，不超过某一数目的电子将对称地组成一个稳定的环或球壳；当电子的数目超过一定值时，多余电子组成新的壳层，随着电子的增多将造成结构上的周期性。因此他设想，元素性质的周期变化或许可用这种电子分布的壳层结构作出解释。但他的原子模型很快被进一步的实验所否定，因为不能解释 射线的大角度散射现象。 二、α粒子散射实验 卢瑟福从1904年到1906年6月，做了许多 射线通过不同厚度的空气、云母片和金属箔的实验。英国物理学家W.H.布拉格在1904－1905年也做了这样的实验。他们发现，在此实验中 射线速度减慢，而且径迹偏斜了（即发生散射现象）。 在卢瑟福的指导下，盖革和青年研究生马斯顿于1909年3月用镭作放射源，进行 粒子穿射金属箔（先后用了金箔和铂箔）的实验，精心测量数量极少的大角度散射粒子，如图10-2所示。结果发现约有八千分之一的入射 粒子发生大角度偏转，偏转角平均为90°，其中有的甚至反弹回来，如图10-3所示。 粒子的这种超过90°的反常的散射现象，使卢瑟福十分惊讶，虽然他事前对大角度散射做过一些推测。 图10-2 α粒子散射实验 图10-3 α粒子散射实验结果 三、原子有核模型 1910年12月，卢瑟福对大角度散射过程的受力关系进行计算，得出一个新的原子结构设想——原子有核模型，如图10-4所示。 他认为 粒子是在同作为靶的金属箔的原子一次碰撞中改变其方向的，因此原子中有一个体积很小、质量很大的带正电荷的原子核，它对带正电荷的 粒子的很强的排斥力使粒子发生大角度偏转。原子核的体积很小，其直径约为原子直径的万分之一至十万分之一，核外是很大的空的空间，带负电的、质量比核轻得多的电子在这个空间里绕核运动。 图10-4 卢瑟福原子模型 四、原子核的组成 1919年，卢瑟福 粒子去轰击氮、氟、钾等元素的原子核，结果都发现有一种微粒产生，电量是1，质量是1，这样的微粒正是质子。因此，人们断定，质子是原子核的组成部分。 一开始，人们认为原子核只是由质子组成的。但是，这不能解释核的质量和原子核所带的电荷量。如果原子核只是由质子组成，那么，某种原子核的质量与质子质量之比，应该等于这种原子核的电荷和质子电荷之比。实际上，绝大多数的原子核的质量与质子质量之比都大于核的电荷与质子电荷之比。 卢瑟福猜想原子核内可能还存在着另一种粒子，质量和质子相等，但是不带电，他将这种粒子称为中子。卢瑟福的这种猜想被他的学生查德威克用实验证实。精确的测量表明，中子的质量非常接近于质子的质量。发现中子以后，人们很快认识到原子核是由质子和中子组成的，很多问题也得到了解释。 原子核由质子和中子组成，质子带电，中子不带电，质子和中子统称为核子。原子核所带的电荷等于核内质子所带电荷的总数，叫做原子核的质子数，也称为电荷数，用Z来表示，原子核的质量数用A表示。 原子核常用符号 表示，其中X为元素符号，A为原子核的质量数，Z为原子核中的质子数。例如， 代表质子数为2、质量数为4的氦核； 代表电荷数为92、质量数为235的铀核。 练习与思考 卢瑟福是因何提出原子有核模型结构的？ 第二节 玻尔的原子模型 能级 卢瑟福的原子有核模型学说很好地解释了 粒子散射实验，初步建立了原子结构的正确图景，但是和经典的电磁理论发生了矛盾：既然核外电子没有被库仑力吸引到核上，它一定以很大的速度绕核运动，这样电子会不停地辐射能量，自身的能量不断减少，最后“跌落”在原子核上，但是这样的事情并没有发生。 这个矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于微观粒子。1913年，丹麦物理学家玻尔（1885—1962年）突破了经典物理学的局限，提出了他的原子理论，其主要内容为： 1．定态假设 原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，这些状态叫做定态。在每个