原子结构——一个故事带我们厘清人们认识原子内部结构的过程。今天给各位同学们讲一个故事，关于原子结构的故事，我们可以通过这个长长的故事，来厘清人们在研究原子内部结构过程中的脉络。在古希腊语中，“原子”一词的本意是“不可分割”的意思，也就是说，原子是组成这个物质世界的最小、最基本的微粒。但原子究竟可不可以再分呢？首先我们还是要从电子的发现来讲起。一，电子的发现——汤姆孙——“西瓜模型”19世纪末，一位德国的物理学家，发现当在两个电极之间加高达近万伏的高压时，观察到两个电极之间的玻璃管壁上，出现了淡淡的荧光，而且观察到玻璃管中物体投射到玻璃壁上的影子。由于这种荧光是从电极上的负极（也就是阴极）发出的，于是把它命名为“阴极射线”。阴极射线是什么？一种观点认为阴极射线是一种电磁辐射，而另外一种观点则认为阴极射线是一种带电微粒。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，双方都做了很多实验。英国物理学家，JJ汤姆孙认为阴极射线是带电离子流。于是，汤姆孙设计了一系列的实验，来研究这个阴极射线究竟是什么，他用不同材料的物质作为阴极来做实验，所得到的离子的比荷都是相同的。后来，汤姆孙还直接测得了阴极射线粒子的电荷量，尽管测量不很准确，但足以证明这种离子电荷量的大小，与氢原子大致相同，人们把组成阴极射线的这种离子，称之为“电子”。因此说，电子是由英国物理学家汤姆生发现的。电子的质量只比最轻原子的质量的1/稍多一点，由此可见，电子应该是原子的组成部分之一，是比原子更小的，更基本的物质单元。电子的发现，证明原子是可以再分的。既然原子是可以再分的，那么原子组成原子的物质究竟是什么呢？虽然说，我们发现了，电子是来自于原子内部，而且电子所带的电是负电，那么组成原子的另一部分，人们把它命名为原子核，应该带正点。原子是由带负电的电子，和带正电的原子核组成，紧接着产生的一个问题就是：电子和原子核以什么样的结构方式，在原子内部组成一个原子的呢？汤姆孙提出了他自己关于原子的结构模型，也就是“西瓜模型”。汤姆孙认为：原子就像一个西瓜，电子就像西瓜子一样镶嵌在西瓜里，除西瓜子的其他部分就是原子核。汤姆森的这种模型，看起来原子是一个实心的球体，“西瓜模型”也被当时许多人所接受，原子真的是汤姆孙所描述的这样吗？二，α粒子散射实验——卢瑟福——核实结构模型毕竟人们不可能真正观察到原子究竟是一个什么样子，新的实验，完全否定了汤姆森的模型，也就是α粒子散射实验。α粒子散射实验的装置，我们同学们是了解的，让高速的α粒子去轰击金箔，然后观察记录穿过金箔的α粒子的数目。实验的结果是：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数的α粒子，大概占到整个α粒子数目的1/，发生了大角度的偏转，有的偏转角度甚至大于90度，也就是说，这占有1/的α粒子，几乎是被原子内部一个很实在的东西“撞了”回来。α粒子散射实验的这个结果，让我们不得不回头审视一下，汤姆孙关于原子的“西瓜模型”。如果“西瓜模型”是正确的，原子是一个实心球体的话，就不会出现大多数α粒子穿过金箔时几乎没遇到任何阻碍这种现象，也就是说原子并不是一个实心球体。那原子应该是一个什么样的形状，才更合理呢？卢瑟福根据α粒子散射实验的结果，提出了自己对原子结构的认识。卢瑟福认为：原子的内部是很“空旷”的，这才会有大多数α粒子没有阻碍的痛过，而原子内部有一个，体积很小但拥有原子绝大多数质量的“核”，把1/的α粒子“撞”回来的核——原子的核实结构模型。卢瑟福的核实结构模型很好的解释了α粒子散射实验，但是新的问题又产生了。带正电的原子核和带负电电子是如何形成一个稳定的原子的呢？当时人们认为：电子围绕原子核做高速旋转，以这样的一种方式来组成原子。可根据经典物理学的理论来看，当电子围绕原子核高速旋转时，这种结构并不是稳定的，因为这样会不断的对外辐射能量，最终导致电子会撞击到原子核上而发生“洇灭”，也就是我们所说原子“坍塌”了。另外一个方面，这种方式也不能解释原子光谱的分立特征。三，玻尔假设——波尔——玻尔的原子理论卢瑟福的原子核式结构模型，很好的解释了α粒子散射实验的结果，但是不能解释原子的稳定性和原子光谱的分立特征，这就需要一个新的模型来代替卢瑟福的原子核式结构模型。丹麦物理学家波尔意识到经典理论在解释原子结构方面的困难，波尔在普朗克关于黑体辐射量子论和爱因斯坦光子的概念的启发下，提出了自己的原子结构理论。波尔认为，原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，服从经典力学的规律，但不同的是，电子运动的轨道半径不是任意的，只有当半径的大小符合一定条件时，这样的轨道才是可能的——轨道量子化，不同轨道对应不同的能量——定态。按照波尔的这个说法，电子在这些轨道上绕核转动是稳定的，不对外辐射能量，只有当原子从一个状态变化到另一个状态时，才会辐射出光子，辐射出的光子的能量，应该是这两种两个能级的能量差来决定。波尔的原子理论很好的解决了原子不稳定和原子光谱分立特征这两个困难。波尔的关于原子的模型，是不是就是原子的最终模型呢？实验表明，波尔理论对氢原子光谱的解释是很好的，但是对其他原子却出现了很大的偏差，与实验结果不符。那也就是说，波尔的原子模型，也并不是关于原子的一种最终模型，它也是有局限性的。关于原子结构的这个故事也就讲完了，但是我们好像还不能够真正知道原子的确切结构。无论是卢瑟福的核式结构模型还是波尔的原子理论，仍然保留了经典粒子的观点，仍然把电子运动看作经典力学描述下的轨道运动，也许我们需要抛弃这种观念，去接近真相，而科学就是让我们不断的接近真相，新的学科诞生了——量子力学。

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