最后更新: 2026-06-18 22:18 查看: 295 次纠错评论(0) 课件开VIP

原子的结构、电子的发现与X射线

本文将介绍原子结构的发现历史，即：物理学家是怎么通过一步步实验认识原子结构的。**现代物理认为**原子的结构为：

> **①原子由原子核和核外电子组成，但电子并非沿固定轨道运动，而是以概率波的形式出现在原子核周围的“电子云”中**

>**② 原子核占据原子极小的体积（约原子的十万分之一），但集中了原子99.9%以上的质量,原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成。质子和中子统称为核子，它们通过强相互作用紧密结合在一起。不同元素的原子核内质子数不同（如氢有1个质子，氧有8个质子），中子数则可能变化（形成同位素）**

> **③电子带负电，每个电子带1个单位负电荷, 在电中性原子中，电子数 = 质子数 .  电子质量极小（约质子的1/1836）,电子的分布：不是轨道，而是电子云. 这是现代物理与传统模型的关键区别**

## 电子的发现
19世纪初期形物理学家认为：在物质的结构中存在着分子、原子这样的层次；宏观物质的化学性质决定于分子，而分子则由原子构成；原子是构成物质的不可再分割的最小颗粒，它既不能创生，也不能消灭。那么原子真的不可再分了吗？

### 电子的发现
19 世纪后半叶，科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极会发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出荧光，人们把这种射线称为**阴极射线**。

![img-text](/uploads/2026-06/yinji.jpg){width=400px}
阴极射线原理图

当时科学家对这种射线的认识有分歧，有的认为阴极射线是带负电的粒子，有的则认为是以太波。为了探究阴极射线的本质，人们都在寻找实验支持。

### 汤姆孙的阴极实验

英国科学家汤姆孙（J．Thomson）从1890年开始对阴极射线进行研究。

![图片](/uploads/2026-06/0ace5b.jpg)

1897年，他设计了一个巧妙的实验，通过使阴极射线粒子受到的静电力和洛伦兹力平衡等方法，确定了阴极射线粒子的本质是**带负电的粒子流**，并确定了其速度，测量出了这些粒子的比荷（图 4－2）。

> 如下图：打开阴极射线管设备，从阴极发出的粒子，在没有任何干扰的作用下，沿着直线传播。现在，拿一个磁体靠近他，可有看到粒子发生了偏转。这说明例子是带点的。再通静电力和过洛伦兹力等最终可以测出粒子的电性和速度。

### 具体的电子的发现过程

阴极射线中带负电的粒子是什么？是原子还是分子？抑或是比原子或分子更小的某种物质微粒？为了回答这些问题，J. J. 汤姆孙成功地完成了三个更为精细的实验。他先后测定了阴极射线中带电粒子的比荷（带电粒子电荷量与质量的比）和电荷量大小，最终为这种粒子“验明正身”。

J. J. 汤姆孙用了两种不同的方法测定了阴极射线中粒子的比荷，所得的结果相近。其中一种方法便是利用图 13–3 所示的静电偏转管，通过分析静电场和磁场对带电粒子的偏转作用获得粒子的比荷。

![图片](/uploads/2026-06/79d6e9.jpg){width=400px}
 图 13–3 静电偏转管
 
 图 13–4 所示是实验的示意图。静电偏转管是经过改装的阴极射线管。将图中阴极 K 和阳极 A 与直流高压电源相连，阴极射线自 K 射出，并在 A、K 间加速。从 A 处狭缝射出的粒子束沿直线向右运动。C、D 是一对平行金属板，将 C、D 接到另一直流电源上，C、D 之间的电场对粒子束产生偏转作用。从 C、D 板右侧射出的粒子束沿直线射到偏转管最右端荧光屏上的 P 处。
 
 在管外于 C、D 极板前后两侧加装载流线圈，线圈产生一个与 C、D 间匀强电场及粒子束运动方向均垂直的匀强磁场。调节线圈中的电流，使得粒子束在 C、D 间所受电场力与洛伦兹力平衡，粒子束便无偏转地沿直线射至荧光屏上 O 处。

在实验中，可测得 C、D 间偏转电场的电势差 U，载流线圈所产生的磁场的磁感应强度 B，平行金属板 C、D 的长度 l 以及间距 d，从偏转电场右边界直至 O、P 两处的粒子直线径迹间的夹角 θ。由这些数据便可推得粒子的比荷。
 
 J．J．汤姆孙改变静电偏转管中的气体和阴极材料重复上述实验，所得到的比荷数量级都一致，即 $\frac{e}{m} \approx 10^{11} \mathrm{C} / \mathrm{kg}$ 。阴极射线的比荷约为电解氢离子的比荷的 2000 倍。由实验结果可以推断，阴极射线中带负电的粒子比原子、分子小得多，且是原子的组成部分。

1898 年，J．J．汤姆孙和他的学生们又用了几种不同的实验方法直接测到了这种粒子的电荷量大小，约为 $1.1 \times 10^{-19} \mathrm{C}$ ，与电解氢离子的电荷量大小相近。这有力地证明阴极射线中带负电的粒子的质量约为氢离子质量的 $\frac{1}{2000}$ 。 J．J．汤姆孙将这种粒子称为电子 （electron）。当代科学确认电子的电荷量的大小为 $1.60 \times 10^{-19} \mathrm{C}$ ，质量为 $9.11 \times 10^{-31} \mathrm{~kg}$ 。

> 请注意下图：不加磁场上偏，加磁场然后条件磁场让他直行。

![图片](/uploads/2026-06/d24f71.jpg)
 
### 具体计算原理 
 
 当带电粒子受到的静电力与洛伦兹力平衡时，有

$$
q E=q v B
$$

由此确定带电粒子的运动速率。然后使电场为零，带电粒子在磁场区内做圆周运动，有

$$
q v B=\frac{m v^2}{R}
$$

由以上两式可得带电粒子的比荷

$$
\frac{q}{m}=\frac{E}{R B^2}
$$

实验中测得的带电粒子的比荷大约是 $10^{11} \mathrm{C} / \mathrm{kg}$ ，比氢离子的比荷大得多。汤姆孙还把各种不同的气体充入管内，用不同的金属分别制成阴极，实验测出的比荷大体相同，说明这种带电粒子是组成各种物质的共同成分。

后来，汤姆孙测量了阴极射线粒子的电荷，发现这些粒子电荷量的大小与氢离子大致相同，而比荷却是氢离子的近两千倍。因此，汤姆孙认为，阴极射线粒子是电荷量大小与氢离子相同、而质量比氢离子小得多的粒子，他把这种带电粒子称为电子（electron）。电子电荷量的精确测定是由密立根于 1909～1913年通过油滴实验完成的。

电子的发现说明原子具有一定的结构，也就是说原子是由电子和其他物质组成的。电子的发现是 19 世纪末物理学的三大发现之一。

`例`如图 1 所示，设粒子的电荷量绝对值为 $e$ 、质量为 $m$ 、进入偏转电场时的初速度为 $v_0$ 、离开电场时的速度为 $v$ 。求$\frac{e}{m}$

![图片](/uploads/2026-06/3cdd4a.svg){width=300px}

解： 粒子在偏转电场中做类平抛运动，离开偏转电场后做匀速直线运动，则

$$
\begin{equation*}
\tan \theta=\frac{\sqrt{v^2-v_0^2}}{v_0}=\frac{e U l}{m v_0^2 d} \tag{1}
\end{equation*}
$$

粒子无偏转地通过 $\mathrm{C} 、 \mathrm{D}$ 间的电场时，粒子受到的磁场力与电场力平衡，则

$$
\begin{equation*}
E v_0 B=\frac{e U}{d} \tag{2}
\end{equation*}
$$

将（1）（2）联立可得

$$
\frac{e}{m}=\frac{U}{B^2 l d} \tan \theta
$$

### 视频演示电子的发现

## X 射线

19 世纪末，X 射线和电子的发现揭开了研究微观世界的序幕。

X 射线的发现应归功于伦琴（W．Rontgen，1845－ 1923，图4－3）。1895年，他在进行阴极射线实验时，发现在距离放电管较远的荧光屏上出现荧光，伦琴将这种具有很强穿透力的未知射线称为 X 射线。接着，他发表了关于 X 射线的论文，并公布了他妻子手骨的 X 射线照片，在世界上引起轰动。伦琴由于 X 射线的发现获得了首届诺贝尔物理学奖。

![图片](/uploads/2026-06/4b4e59.jpg)
 
 1. 从波动性看：它是高频电磁波
X射线与可见光、无线电波一样，本质都是电磁波。但它的显著特点是：

-   **频率极高**：在 $10^{16}$ 到 $10^{20}$ Hz 之间，远高于紫外线。
-   **波长极短**：在 0.01 到 10 纳米（nm）之间，比原子直径还小。

正因为波长短，它能绕过障碍物的能力（衍射能力）极弱，所以能穿过皮肤等软组织，而遇到密度大的骨骼则会被吸收或散射，这就是它能用来拍X光片的物理基础。

## 汤姆孙的原子核的“枣糕模型”
汤姆孙的阴极射线实验证明了电子的存在，从而打破了对原子不可分的认知，激发人们对原子内部结构进行探索。

![图片](/uploads/2026-04/a20a77.jpg)
 J．J．汤姆孙

J．J．汤姆孙在气体电离和光电效应实验现象中发现，不同物质都可以逸出一种带负电的粒子，并且质量比任何一种分子或原子的质量都小得多，因此完全确认了电子的存在。由于发现电子这一杰出贡献，J．J．汤姆孙在 1906 年获得诺贝尔物理学奖。电子的发现打破了传统的＂原子不可分＂的观念，使人类对自然世界的认识又向前迈进了一步，也大大激发了人们研究原子内部结构的热情。

由于原子呈电中性，既然电子带负电，那么原子内部一定还有带正电的部分。 J．J．汤姆孙据此提出了一种原子结构模型。他设想原子是一个球体，正电荷均匀地分布在其中，质量很小的电子镶嵌其中（如图5－1－1所示）。有人形象地称其为＂枣糕模型＂或＂葡萄干布丁模型＂。 J．J．汤姆孙的模型能够解释一些实验事实，但是**不久就被卢瑟福的实验事实所否定**．
 
 ![图片](/uploads/2025-06/bafeda.svg){width=300px}
 枣糕模型

##  α 粒子散射实验  
1903年，勒纳德（P．Lenard，1862－1947）做了电子穿过金属箔的实验，发现高速电子很容易穿过金属中的原子。这表明原子不像是正电荷均匀分布的实心球体。

19 世纪末，对放射性现象的研究发现，某些放射性物质释放出的 $\alpha$ 粒子具有很大的动能，可作为轰击金属的＂炮弹＂。用这些已知的粒子与金属内的原子相互作用，根据粒子的偏转情况来获得原子内部的信息，成为研究物质结构的新方法。这种研究方法使得人们对原子结构的研究取得了突破。

1909 年，卢瑟福（E．Rutherford，1871－1937）和他的合作者做了用 $\alpha$ 粒子轰击金箔的实验。在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋（Po），它发出的 $\alpha$ 粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到金箔上。 $\alpha$ 粒子穿过金箔后，打到环形荧光屏上，产生一个个闪烁的光点，这些光点可用显微镜观察到（图4－7）。

![图片](/uploads/2026-06/b6a487.jpg)
 
 实验结果表明，绝大多数 $\alpha$ 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数 $\alpha$ 粒子发生了较大的偏转，有极少数 $\alpha$ 粒子的偏转角超过了 $90^{\circ}$ ，有的甚至被原路弹回。大量实验发现，$\alpha$ 粒子被反射回来的概率竟然有 $\frac{1}{8000}$ 。用其他金属箔做实验，也都观察到了大角度散射现象，这一现象令人惊奇。后来，人们将卢瑟福的这个实验称为 $\alpha$ 粒子散射实验。

根据汤姆孙原子模型，$\alpha$ 粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度应该是很小的，因为电子的质量很小，不到 $\alpha$ 粒子的 $\frac{1}{7000}, \alpha$ 粒子碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样，运动方向不会发生明显的改变。当 $\alpha$ 粒子在原子的外面时，由于原子呈电中性，而且是球形对称分布，原子对 $\alpha$ 粒子没有作用力；当 $\alpha$ 粒子接近原子或进人原子内部时，由于正电荷均匀分布在整个原子球体中，越靠近球心，其受到的电场力越小，$\alpha$ 粒子也不应发生大角度的散射。因此，汤姆孙原子模型无法解释 $\alpha$ 粒子的大角度散射现象。

##  卢瑟福的“核式模型”

卢瑟福无法用汤姆孙原子模型解释 $\alpha$ 粒子大角度散射现象，这种现象就好像一颗炮弹射到一张薄纸上，竟被薄纸弹回来一样不可思议。卢瑟福尊重实验事实，利用与原子结构有关的信息，经过严谨的理论推导，于1911年提出了原子核式结构模型。他认为，原子内部有一个很小的核，称为原子核，原子的全部正电荷及几乎全部的质量都集中在原子核内；电子在原子核外面运动。卢瑟福原子模型有些像太阳系，电子绕原子核运行就像太阳系的行星绕太阳运行似的。因此，原子核式结构模型又被称为行星模型。

![图片](/uploads/2026-04/385715.jpg){width=100px}
 卢瑟福

按照这个模型，$\alpha$ 粒子穿过原子时，电子对 $\alpha$ 粒子运动的影响很小，影响 $\alpha$ 粒子运动的主要因素是原子核。若 $\alpha$ 粒子穿过金箔时离核较远，受到的斥力很小，它们的运动几乎不受影响；只有 $\alpha$ 粒子从原子核附近飞过时，才会明显地受到原子核的库仑力而发生大角度偏转（图 4－9）。因为原子核很小，$\alpha$ 粒子十分接近它的机会很少，所以绝大多数 $\alpha$ 粒子基本上仍按直线方向前进，发生偏转的粒子中大多数偏转角度也不大，只有极少数 $\alpha$ 粒子发生大角度偏转，甚至被弹回。卢瑟福核式结构模型很好地解释了 $\alpha$ 粒子大角度散射现象。

![图片](/uploads/2026-06/243cea.jpg)
 
 
 根据卢瑟福的原子核式结构模型，可计算出原子核直径的数量级应在 $10^{-14} \mathrm{~m}$ 以下。进一步的研究表明，原子核直径的数量级为 $10^{-15} \mathrm{~m}$ ，原子直径的数量级为 $10^{-10} \mathrm{~m}$ ，原子核的直径只相当于原子直径的十万分之一。

原子核式结构模型，给当时的物理学家和化学家以巨大震动，对原子物理学的发展起了重大推动作用。

![图片](/uploads/2025-06/e94eff.jpg){width=400px}
 图 13–8  卢瑟福原子的核式结构模型
 
 
### 原子核大小的估计
由 $\alpha$ 粒子散射实验的数据可估计出原子核的大小。当 $\alpha$ 粒子与原子核发生弹性正碰时，$\alpha$ 粒子以接近 $180^{\circ}$ 的角度返回。假定原子核静止不动，$\alpha$ 粒子以一定的初动能接近原子核，达到离原子核的最小距离时，初动能完全转变为在原子核电场中的电势能，然后在原子核的排斥作用下以接近 $180^{\circ}$ 的角度返回。

假设 $\alpha$ 粒子的初速度为 $v_0$ ，质量为 $M_\alpha$ ，金属箔的原子序数为 $Z$ ，$\alpha$ 粒子接近原子核的最小距离为 $r_{\text {min }}$ 。根据初动能等于核电场中的电势能，即

$$
\frac{1}{2} M_\alpha v_0^2=k \frac{2 e \cdot Z e}{r_{\min }}
$$

可得

$$
r_{\min }=\frac{4 k e^2 Z}{M_\alpha v_0^2}
$$

其他版本
【高中化学】原子结构

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