7 1原子结构.ppt

第一节原子结构
一、原子的核式结构
二、天然放射现象
一、原子的核式结构
在19世纪以前,人们一直认为原子是组成物质的最小单元,是不可再分的。1897年,英国物理学家汤姆孙(左图)通过对阴极射线的研究发现了电子,表明电子是原子的组成部分。电子是带负电的,而原子是中性的,可见原子内部还有带正电的物质。这些带正电的物质和带负电的电子是怎样构成原子的,就成了当时物理学家们最关心的问题之一。
1903年,汤姆孙综合他的实验结果,提出了原子结构枣糕模型假说。他设想原子中的正电荷是均匀地分布在整个原子球体中,而电子却象枣糕里的枣子那样镶嵌在原子中,如右图所示。该模型虽然能解释原子为何呈现中性等现象,但不久就被新的实验事实否定了。
1909—1911年,英国物理学家卢瑟福(右图)做了用α粒子轰击金箔的实验。通过实验发现,绝大多数α粒子穿过金箔片后仍沿原来的方向前进,只有少数α粒子发生大角度的偏转,极少数α粒子的偏转角度几乎达到180°。
卢瑟福对α粒子散射实验结果的仔细研究,提出了原子的核式结构模型: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内,带负电的电子在核外空间绕着原子核旋转。原子核所带的正电荷数等于核外的电子数,整个原子是电中性的。
根据这个模型,可以很好地解释α粒子散射的现象:大多数α粒子穿过原子时,离原子核的距离都相当远,原子核对它们的作用力很小,因此,它们仍然是沿直线前进的。少数α粒子在穿过原子时,离原子核的距离较近,原子核对它们的排斥力较大,因此使它们发生偏转。偏转角度大的α粒子极少,那是因为原子核非常小,α粒子非常接近原子核的情形很不容易发生。
根据α粒子散射实验的数据,可以估算出原子核的半径为10-14~10-15 m,而原子的半径约为10-10 m,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。如果把原子放大成一座能容纳万人的体育馆,那么原子核只相当于一个乒乓球。
1919年,卢瑟福做了用镭放射出的α粒子轰击氮原子核的实验,他发现某些α粒子钻进了氮原子核,并把氮核内的一个粒子驱逐出来,使氮核变成一个新的原子核。
为了了解这个从氮原子核里被驱逐出来的新粒子的性质,卢瑟福就在这个实验装置里加进电场和磁场,并根据它在电场和磁场中的偏转,测出了它的质量和电荷,从而确定了这个新粒子就是氢原子核,他把它叫做质子。以后,人们用同样的方法从***、钠、铝等原子核中都打出了质子,表明质子是原子核的组成部分。
自从质子和中子被发现后,德国的海森伯(1907—1976)和苏联的伊万年科(1904—1994)各自提出了原子核是由质子和中子构成的假设,如下图所示。由这种假设演绎出的一些结论与大量实验结果相符合,因而这种假设很快被人们所公认,质子与中子统称为核子。
1932年,英国物理学家查德威克(1891—1974)重复了德国物理学家波特和法国的约里奥­居里夫妇的实验,先用α粒子轰击铍,再用铍产生的穿透力极强的射线轰击氢、氮,结果打出了氢核和氮核。查德威克测量了被打出的氢核和氮核的速度,并由此推算出这种射线粒子是一种质量跟质子差不多的中性粒子,并将其命名为中子。后来人们又从其他许多原子核里都打出中子来,从而表明中子也是原子核的组成部分。
二、天然放射现象
1896年,法国物理学家贝可勒耳(左图)在实验中首先发现,铀能放出肉眼看不见的使照相底片感光的某种射线。法国科学家皮埃尔·居里和玛丽·居里夫妇(右图)对此进行了深入的研究,又发现钋、镭也能够放射出使照相底片感光的射线。
像铀、钋、镭等物质放射射线的性质叫做放射性。具有放射性的元素叫做放射性元素。原子序数大于82的所有元素,都具有放射性。原子序数小于83的元素,有的也具有放射性。元素这种自发地放出射线的现象叫做天然放射现象。
通过对放射性现象的研究发现,放射性元素发出的射线,在垂直穿过磁场时分成三束,如图所示。根据电磁学的知识可判断出,中间一束射线是不带电的,另两束射线分别带正、负电荷,人们把这三束射线分别叫做α射线、β射线和γ射线。
α射线是由氦原子核组成的粒子流(即α粒子),很容易使气体电离,使底片感光的本领也很强。但贯穿本领最弱,用一张纸就可以挡住。
β射线是高速电子流(即β粒子),其电离作用较弱,贯穿本领较强。要阻挡β射线,就需要用6 mm厚的铝板了。
γ射线是波长极短的电磁波(即光子),其电离作用最弱,贯穿本领最大,要用几厘米厚的铅或几十厘米厚的混凝土墙才能阻止它。