原子的核式结构模型

　　这种射线称为阴极射线（cathode ray）。对这种射线本质的认识有两种观点：一种观点认为，它是一种电磁辐射；另一种观点认为，它是带电微粒。如何用实验判断哪一种观点正确呢？
　　一、电子的发现
　　当时，两种观点的支持者争执不下，谁也说服不了谁。为了找到有利于自己的证据，双方都做了许多实验。英国物理学家J.J.汤姆孙
　　认为阴极射线是带电粒子流。为了证实这一点，从1890年起他和他的助手进行了一系列实验研究。如图
　　是他当时使用的气体放电管的示意图。由阴极K发出的带电粒子通过缝隙A、B形成一束细细的射线。它穿过两片平行的金属板D₁、D₂之间的空间，到达右端带有标尺的荧光屏上。根据射线产生的荧光的位置（如P₁，P₂，P₃，…），可以研究射线的径迹。
　　图中产生阴极射线的机理是：管中残存气体分子中的正负电荷在强电场的作用下被＂拉开＂（即气体分子被电离），正电荷（即正离子）在电场加速下撞击阴极，于是阴极释放更多粒子流，形成了阴极射线。
　　1897年，J.J.汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷。他进一步发现，用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都是相同的。这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。
　　由实验测得的阴极射线粒子的比荷是氢离子（也就是质子）比荷的近两千倍。J.J.汤姆孙认为，这可能表示阴极射线粒子电荷量的大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多。后来，他直接测到了阴极射线粒子的电荷量，尽管测量不很准确，但足以证明这种粒子电荷量的大小与氢离子大致相同，这就表明他当初的猜测是正确的。后来，组成阴极射线的粒子被称为电子。
　　带电粒子的电荷量与其质量之比，即比荷，是一个重要的物理量。
　　电子的发现是物理学史上的重要事件。人们由此认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有结构。
　　热离子发射指金属在高温时发射粒子的现象。射线是某些物质自发地放射出的一种射线，在第五章中将有讨论。
　　电子电荷的精确测定是在1909 1913年间由密立根通过著名的＂油滴实验＂做出的。目前公认的电子电荷e的值为
　　e 1.602176634 10 ¹⁹C
　　密立根实验更重要的发现是：电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。从实验测到的比荷及e的数值，可以确定电子的质量。现在人们普遍认为电子的质量为me 9.10938356 10 ³¹kg
　　质子质量与电子质量的比值为
　　mp/me 1836
　　发现电子以后，J.J.汤姆孙又进一步研究了许多新现象，如光电效应、热离子发射效应和β射线等。他发现，不论阴极射线、光电流、热离子流还是β射线，它们都包含电子。也就是说，不论是由于正离子的轰击、紫外光的照射、金属受热还是放射性物质的自发辐射，都能发射同样的带电粒子一电子。J.J.汤姆孙对证实电子的存在有很大贡献，因此公认他是电子的发现者。他因气体导电的研究获得1906年的诺贝尔物理学奖。
　　二、原子的核式结构模型
　　在J.J.汤姆孙发现电子之后，对于原子中正负电荷如何分布的问题，科学家们提出了许多模型。J.J.汤姆孙本人于1898年提出了一种模型。他认为，原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中（图）。
　　有人形象地把他的这个模型称为＂西瓜模型＂或＂枣糕模型＂。
　　这个模型能够解释一些实验现象。但德国物理学家勒纳德1903年做了一个实验，使电子束射到金属膜上，发现较高速度的电子很容易穿透原子。这说明原子不是一个实心球体，这个模型可能不正确。之后不久，α粒子散射实验则完全否定了这个模型。
　　粒子散射实验粒子是从放射性物质（如铂和镭）中发射出来的快速运动的粒子，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7300倍。
　　1909年，英国物理学家卢瑟福
　　指导他的助手盖革和马斯顿进行粒子散射实验的研究时，所用仪器的示意图如图所示。
　　粒子源R是被铅块包围的，它发射的α粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在金箔F上。显微镜M带有荧光屏S，可以在水平面内转到不同的方向对散射的a粒子进行观察。被散射的粒子打在荧光屏上会有微弱的闪光产生。通过显微镜观察闪光就可以记录在某一时间内向某一方向散射的粒子数。从α粒子放射源到荧光屏这段路程处于真空中。
　　当粒子打到金箔时，由于金原子中的带电粒子对a粒子有库仑力的作用，一些粒子的运动方向改变，也就是发生了α粒子的散射。统计散射到各个方向的粒子所占的比例，可以推知原子中电荷的分布情况。除了金箔，当时的实验还用了其他重金属箔，例如铂箔。
　　实验发现，绝大多数α粒子穿过金箱后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数a粒子（约占1/8000）发生了大角度偏转，极少数偏转的角度甚至大于90 ，也就是说，它们几乎被＂撞了回来＂。对α粒子散射实验的解释 这样的事实令人惊奇。大角度的偏转不可能是电子造成的，因为它的质量只有α粒子的1/7300，它对α粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对枪弹的影响，完全可以忽略。因此，α粒子偏转主要是具有原子的大部分质量的带正电部分造成的。而按照J.J.汤姆孙的模型，正电荷是均匀地分布在原子内的，α粒子穿过原子时受到的各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，因此对α粒子运动的影响不会很大。所以，J.J.汤姆孙的模型无法解释大角度散射的实验结果。
　　卢瑟福分析了实验数据后认为，事实应该是：占原子质量绝大部分的带正电的物质集中在很小的空间范围。这样才会使α粒子在经过时受到很强的斥力，使其发生大角度的偏转。
　　1911年，卢瑟福提出了自己的原子结构模型。他设想：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。这样，当α粒子接近原子时，电子对它的影响仍如前述可以忽略，但是，正电体对它的作用就不同了。因为正电体很小，当α粒子进入原子区域后，大部分离正电体很远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎不改变。只有极少数粒子在穿过时距离正电体很近，因此受到很强的库仑斥力，发生大角度散射。这个情况如图所示。
　　按照卢瑟福的理论，正电体的尺度是很小的，称为原子核。卢瑟福的原子模型因而称为核式结构模型。卢瑟福以这个模型为依据，利用经典力学计算了向各个方向散射的α粒子的比例，结果与实验数据符合得很好。
　　三、原子核的电荷与尺度
　　由不同元素对α粒子散射的实验数据可以确定不同元素原子核的电荷量Q。又由于原子是电中性的，可以推算出原子内含有的电子数。科学家们注意到，各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数，非常接近它们的原子序数，这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的。
　　现在，我们知道，原子确实是由带电荷 Ze的核与核外Z个电子组成的。原子序数Z等于核电荷与电子电荷大小的比值。它表示原子核的电荷是一个电子电荷量的多少倍。后来又发现原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数。
　　Ze是原子核的电荷，单位是库仑；Z是原子序数，也是原子核的电荷数，它表示原子核的电荷是一个电子电荷（绝对值）的多少倍。Z是没有单位的，或者说Z的单位是1。
　　通常用核半径描述核的大小。原子核的半径是很难测量的，一般通过其他粒子与核的相互作用来确定。α粒子散射可以用来估算核半径。对于一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为10 ¹⁵m，而整个原子半径的数量级是10 ¹m，两者相差十万倍之多。可见原子内部是十分＂空旷＂的。
　　四、经典物理学的困难
　　按照经典物理学，核外电子受到原子核的库仑引力的作用，不可能是静止的，它一定在以一定的速度绕核转动。既然电子在做周期性运动，它的电磁场就在周期性地变化，而周期性变化的电磁场会激发电磁波。也就是说，它将把自己绕核转动的能量以电磁波的形式辐射出去。因此，电子绕核转动这个系统是不稳定的，电子会失去能量，最后一头栽到原子核上。
　　α粒子散射实验用的是金箔等重金属箔，而没有用轻金属箔，例如铝箔。除了金的延展性好，可以把金箔做得非常薄这个原因以外，你认为还有什么原因？
　　【答】卢瑟福在做α粒子散射实验时，之所以选用金箔做靶子，是因为金原子核较大，易于被α粒子击中，且金的延展性好，几乎可以做成单原子膜。