高中化学/进一步了解原子

在上一课中，你了解了原子以及早期导致道尔顿原子理论发展的实验。但道尔顿原子理论并不是故事的结束。你还记得本书早期介绍的科学方法吗？使用科学方法的化学家会进行仔细的观察和测量，然后利用这些测量结果提出理论。道尔顿正是这样做的。道尔顿利用以下 *观察结果*：

化学反应过程中质量既不会产生也不会消失。
元素在形成特定化合物时总是以相同的质量比例结合。
当元素形成不止一种化合物时，与相同质量的另一种元素结合的不同质量的一种元素之比为小整数比。

利用这些观察结果（来自仔细的测量），道尔顿提出了他的原子理论——一个模型，该模型表明物质的潜在结构如何导致上述三个观察结果。然而，科学方法并没有在提出理论后就停止。相反，理论应该提出新的实验，可以执行这些实验来测试原始理论是否准确和完整。

道尔顿原子理论很好地经受住了科学家进行的许多不同化学实验的检验。事实上，近 100 年来，道尔顿原子理论似乎就是全部真相。然而，在 1897 年，一位名叫 J.J. 汤姆逊的科学家进行了一些研究，这些研究表明原子理论并非全部真相。事实证明，道尔顿有很多地方是对的。他说物质是由原子组成的，这是对的；他说存在不同类型的原子，它们具有不同的质量和其他特性，这是对的；他说给定元素的原子是相同的，这是“几乎”对的；他说在化学反应过程中，原子只是重新排列，这是对的；他说给定化合物中总是存在相同相对数目的原子，这是对的。但他 *错了*，他说原子是不可分割或不可破坏的。事实证明，原子 *是可以分割的*。事实上，原子是由更小的 **亚原子粒子** 组成的。

课程目标

解释导致汤姆逊发现电子的实验。
描述汤姆逊的“枣糕”原子模型。
描述卢瑟福的金箔实验，并解释这个实验如何证明“枣糕”原子模型是错误的。

汤姆逊发现电子是原子的一部分

在 19 世纪中叶，科学家开始意识到化学研究和电学研究实际上是相关的。首先，一位名叫迈克尔·法拉第的人展示了如何通过将电流通过不同化学物质的混合物来引起化学反应。此后不久，科学家发现，通过迫使电流通过充满气体的管子，电流会使气体发光！然而，科学家并没有理解化学物质和电之间的关系，直到一位名叫 J.J. 汤姆逊（图 4.7）的英国物理学家开始用 *阴极射线管* 进行实验。

下图显示了与 J.J. 汤姆逊使用的阴极射线管类似的阴极射线管的基本原理图。阴极射线管是一个小玻璃管，在两端有一个阴极（带负电的金属板）和一个阳极（带正电的金属板）。通过将阴极和阳极隔开一小段距离，阴极射线管可以产生所谓的“阴极射线”——从阴极流向阳极的电流。J.J. 汤姆逊想知道阴极射线是什么，阴极射线来自哪里，以及阴极射线是否具有质量或电荷。J.J. 汤姆逊用来回答这些问题的方法非常巧妙，并为他赢得了诺贝尔物理学奖。首先，通过在阳极上切一个洞，J.J. 汤姆逊发现他可以使一些阴极射线穿过阳极的洞，进入玻璃阴极射线管的另一端。接下来，J.J. 汤姆逊发现，如果他将一种被称为“磷光体”的物质涂在阴极射线管的远端，他就可以看到阴极射线撞击的确切位置，因为阴极射线使磷光体发光。

J.J. 汤姆逊一定怀疑阴极射线带电，因为他的下一步是在阴极射线管的一侧放置一块带正电的金属板，在阴极射线管的另一侧放置一块带负电的金属板，如下图所示。金属板实际上没有接触阴极射线管，但它们足够靠近，发生了一件非凡的事情！穿过阳极孔的阴极射线流向上弯曲，朝向带正电的金属板，远离带负电的金属板。

换句话说，磷光体不再直接在阳极孔的对面发光（如第一张图），而是现在在管子中高出很多的地方发光（如第二张图）。

J.J. 汤姆逊对自己的结果思考了很长时间。这几乎就像阴极射线 *被吸引* 到阴极射线管上方的带正电的金属板，*被排斥* 到阴极射线管下方的带负电的金属板。J.J. 汤姆逊知道，带电物体根据以下规则 *被吸引* 和 *被排斥* 到其他带电物体：*异性相吸，同性相斥*。这意味着正电荷被吸引到负电荷，但被排斥到另一个正电荷。同样，负电荷被吸引到正电荷，但被排斥到另一个负电荷。利用“异性相吸，同性相斥”规则，J.J. 汤姆逊认为，如果阴极射线 *被吸引* 到带正电的金属板，*被排斥* 到带负电的金属板，那么它们本身就必须带负电！

J.J. 汤姆逊随后用磁铁进行了一些相当复杂的实验，并利用他的结果证明了阴极射线不仅带负电，而且还有质量。请记住，任何具有质量的东西都是我们称为物质的一部分。换句话说，这些阴极射线一定是来自阴极流向阳极的带负电的“物质”的结果。但有一个问题。根据 J.J. 汤姆逊的测量结果，这些阴极射线要么具有极高的电荷，要么具有非常非常小的质量——远小于已知最小的原子。这怎么可能？如果原子是不可分割的，那么构成阴极射线的物质怎么会比原子 *更小* 呢？J.J. 汤姆逊提出了一个激进的建议：也许原子 *是可以分割的*。J.J. 汤姆逊认为，构成阴极射线的小而带负电的粒子实际上是原子的碎片。他称这些碎片为“微粒”，虽然今天我们知道它们被称为“电子”。由于他的巧妙实验和仔细的推理，J.J. 汤姆逊被认为发现了电子。

质子被认为存在，但后来才被发现

在上一节中，我们了解到原子实际上是可以分割的，构成原子的 **亚原子粒子** 之一是称为“电子”的小而带负电的实体。现在想象一下，如果原子完全由电子组成，会发生什么。首先，电子非常非常小；事实上，电子的尺寸大约是已知最小的原子的 2000 分之一，因此每个原子都必须包含大量的电子。但还有另一个更大的问题：电子是 *带负电的*。因此，如果原子完全由电子组成，那么原子本身将带负电……这意味着所有物质也将带负电。

当然，物质并不带负电。事实上，大多数物质是我们所说的 *中性*——它根本不带电。如果物质由原子组成，原子由 *负* 电子组成，物质如何才能 *中性* 呢？唯一可能的解释是原子不仅包含电子。原子还必须包含某种 *带正电的* 物质，以平衡电子上的负电荷。大小相等的负电荷和正电荷会相互抵消，就像大小相等的负数和正数一样。如果你将 +1 和 −1 相加，你会得到什么？你会得到 0，或者什么都没有。这对于数字来说是正确的，对于电荷来说也是正确的。如果一个原子包含一个带 -1 电荷的电子，但也包含某种带 +1 电荷的物质，那么总的来说原子必须带 (+1) + (−1) = 0 电荷——换句话说，原子必须是中性的，或者 *不带电*。

基于原子是中性的这一事实，以及 J.J. 汤姆逊发现原子包含称为“电子”的带负电的亚原子粒子这一事实，科学家假设原子还必须包含一种带正电的物质。事实证明，这种带正电的物质是另一种 **亚原子粒子**，称为“质子”。虽然科学家知道原子必须包含带正电的物质，但质子直到很久以后才被发现或理解。

汤姆逊的原子模型

当汤姆逊发现负电子时，他意识到原子中也必须包含正物质——否则原子总体上不会呈中性。因此，汤姆逊提出了原子结构的“葡萄干布丁”模型。根据“葡萄干布丁”模型，负电子就像水果，而正物质就像面糊或布丁。考虑到汤姆逊的实验和观察，这个模型很有道理。汤姆逊能够利用阴极射线管分离出电子；然而，他从未成功分离出正粒子。因此，汤姆逊推测原子中的正物质必须形成类似于葡萄干布丁中的“面糊”，而负电子必须分散在这个“面糊”中。(如果你从未见过或品尝过葡萄干布丁，你可以把它想象成巧克力曲奇饼干。在这种情况下，原子中的正物质就是巧克力曲奇饼干中的“面糊”，而负电子像巧克力豆一样散布在面糊中。)

图 4.8 显示了“葡萄干布丁”和原子的“葡萄干布丁”模型。请注意，从葡萄干布丁中挑出水果是多么容易。另一方面，从葡萄干布丁中挑出面糊就困难得多，因为面糊无处不在。如果一个原子类似于一个葡萄干布丁，电子散布在正物质的“面糊”中，那么你就会期望很容易挑出电子，但很难挑出正物质。

汤姆逊的所有实验都表明“葡萄干布丁”模型是正确的——但根据科学方法，任何新的理论或模型都应该通过进一步的实验和观察进行检验。就“葡萄干布丁”模型而言，需要一位名叫欧内斯特·卢瑟福的人来证明它错了。卢瑟福和他的实验将是下一节的主题。

卢瑟福的原子模型

推翻汤姆逊的“葡萄干布丁”模型始于发现一种叫做铀的元素在发生放射性衰变时会发射带正电的粒子，称为α粒子。放射性衰变是指一种元素分解成另一种元素的过程。它只发生在一些非常不稳定的元素中。这涉及一些比较难理解的概念，所以现在，只要接受这样一个事实，即铀会衰变并在过程中发射α粒子就可以了。α粒子本身并没有证明任何关于原子结构的信息。事实上，一位名叫欧内斯特·卢瑟福（参见右图）的人证明了α粒子不过是失去电子的氦原子。想想为什么失去电子的原子会带正电。然而，α粒子可以用来进行一些非常有趣的实验。

欧内斯特·卢瑟福对α粒子的所有方面都很感兴趣。不过，在很大程度上，他似乎将α粒子视为微小的子弹，可以用它们来射击各种不同的材料。然而，有一个实验特别让卢瑟福，以及所有其他人感到惊讶。卢瑟福发现，当他用α粒子轰击一片非常薄的金箔时，发生了一件有趣的事情。几乎所有的α粒子都直接穿过了金箔，好像什么也没碰到一样。不过，偶尔，也会有α粒子被稍微偏转，好像它从某个坚硬的东西上弹开了一样。更不常见的是，卢瑟福观察到α粒子直接弹回发射它们的“枪”！就好像这些α粒子正面撞上了“墙壁”，然后弹回到它们来的方向一样。

卢瑟福认为，这些实验结果相当奇怪。卢瑟福将用α粒子轰击金箔描述为用高功率步枪射击薄纸。你会期望子弹击中薄纸并反弹回来吗？当然不会！子弹会穿透薄纸并继续前进，几乎就像什么也没碰到一样。这就是卢瑟福预期用α粒子轰击金箔时会发生的事情。因此，大多数α粒子穿过的现象并没有让他感到震惊。另一方面，他如何解释被偏转的α粒子呢？更糟糕的是，他如何解释像撞上墙壁一样弹回来的α粒子呢？

卢瑟福认为，解释他的结果的唯一方法是假设形成金原子的正物质实际上不是像葡萄干布丁中的面糊一样分布，而是集中在一个地方，在金原子的中心某个地方形成一个带正电的小粒子。我们现在称这团带正电的物质为原子核。根据卢瑟福的说法，原子核的存在解释了他的实验，因为它意味着大多数α粒子穿过金箔而没有撞到任何东西。不过，偶尔，α粒子会真正撞击金原子核，导致α粒子被偏转，甚至弹回到它们来的方向。

卢瑟福认为电子“绕轨道运行”

虽然卢瑟福发现带正电的原子核为理解原子结构提供了见解，但它也引发了一些问题。根据“葡萄干布丁”模型，电子就像嵌入原子正“面糊”中的葡萄干。然而，卢瑟福的模型表明，正电荷不是像面糊一样分布，而是集中在原子中心的微小粒子中，而原子的其余部分大部分是空的空间。这对电子意味着什么？如果它们没有嵌入在正物质中，它们到底在做什么呢？它们是如何被束缚在原子中的呢？卢瑟福认为，电子可能像某种带负电的云一样围绕带正电的原子核做圆周运动或“绕轨道运行”，但当时没有太多证据表明电子是如何被束缚在原子中的。

尽管与卢瑟福的实验有关的问题和疑问，他用α粒子进行的实验似乎确实表明存在原子“核”。在发现电子的 J. J. 汤姆逊和提出原子中的正电荷集中在原子中心的卢瑟福之间，19 世纪 90 年代和 20 世纪初，人们在“亚原子”（或小于原子大小）层面上对原子有了巨大的理解。尽管关于亚原子粒子在原子中是如何排列的仍然存在一些不确定性，但越来越明显的是，原子确实是可以分割的。此外，很明显的是，原子可以被分解成带负电的电子和包含正电荷的原子核。在下一课中，我们将更仔细地研究原子核的结构，我们将了解到，虽然原子是由正负粒子组成的，但它也包含中性粒子，这些粒子既不能被汤姆逊，也不能被卢瑟福用他们的实验探测到。

课程总结

道尔顿的原子理论并不完全正确。事实证明，原子可以被分解成更小的亚原子粒子。
阴极射线管是一个带有阴极和阳极的小玻璃管，位于一端。阴极射线从阴极流向阳极。
当阴极射线击中一种叫做“磷光体”的材料时，会使磷光体发光。J. J. 汤姆逊利用这种现象揭示了阴极射线在阴极射线管中的路径。
J. J. 汤姆逊发现，阴极射线的路径可以弯曲，朝向带正电的金属板，远离带负电的金属板。因此，他推断阴极射线中的粒子带负电。
用磁铁进行的进一步实验证明，阴极射线中的粒子也有质量。然而，汤姆逊的测量表明，这些粒子比原子小得多。
J. J. 汤姆逊认为，这些带负电的小粒子实际上是亚原子粒子。我们现在称它们为“电子”。
由于原子是中性的，包含带负电的电子的原子也必须包含带正电的物质。
根据汤姆逊的“葡萄干布丁”模型，原子中带负电的电子就像葡萄干布丁中的水果，而带正电的物质就像面糊。
当欧内斯特·卢瑟福用α粒子轰击一片薄金箔时，大多数α粒子直接穿透了金箔；然而，有一些粒子以不同的角度散射，甚至有一些粒子直接弹了回来。
为了解释他金箔实验的结果，卢瑟福认为，金原子中的正物质集中在金原子的中心，我们现在称之为原子核。
卢瑟福的原子模型没有解释电子在原子中的位置。

复习问题

判断以下每个说法是正确还是错误。
(a) 阴极射线带正电。

(b) 阴极射线是光线，因此它们没有质量。

(c) 阴极射线会被带负电的金属板排斥。

(d) J.J. 汤姆森因发现电子而闻名。

(e) 磷光体是一种在被阴极射线撞击时会发光的材料。
将每个观察结果与正确的结论相匹配。
(a) 阴极射线被吸引到带正电的金属板。 - i. 阴极射线带正电。 - ii. 阴极射线带负电。 - iii. 阴极射线不带电。

(b) 电子带负电。 - i. 原子必须带负电。 - ii. 原子必须带正电。 - iii. 原子还必须包含带正电的亚原子物质。

(c) 射向薄金箔的α粒子偶尔会以它们射来的方向散射回来 - i. 原子中的正电物质像布丁中的“面糊”一样散布在整个原子中 - ii. 原子包含中子 - iii. 原子中的正电荷集中在原子中心的某个小区域。
α粒子是
(a) 具有额外电子的氦原子。

(b) 具有额外电子的氢原子。

(c) 没有电子的氢原子。

(d) 电子。

(e) 失去了电子的氦原子。

(f) 中性的氦原子。
原子中心的小团带正电物质叫什么名字？
选择正确的陈述。
(a) 卢瑟福通过对铝箔进行实验发现了原子核。

(b) 卢瑟福使用阴极射线管发现了原子核。

(c) 当α粒子射向薄金箔时，它们永远不会穿透。

(d) 卢瑟福证明了“葡萄干布丁模型”是错误的。

(e) 卢瑟福通过向金箔发射阴极射线进行实验。
回答以下问题
(a) 电荷 +2 和 -2 会互相抵消吗？

(b) 电荷 +2 和 -1 会互相抵消吗？

(c) 电荷 +1 和 +1 会互相抵消吗？

(d) 电荷 -1 和 +3 会互相抵消吗？

(e) 电荷 +9 和 -9 会互相抵消吗？
电子会被_____带负电的金属板_____，会被_____带正电的金属板_____？
J.J. 汤姆森称电子为______？
“钠阳离子”是一个失去了一个电子的钠原子。钠阳离子的电荷是正电、负电还是中性？钠阳离子会被吸引到带负电的金属板还是带正电的金属板？电子会被吸引到钠阳离子还是被排斥？
假设你有一个涂有磷光体的阴极射线管，这样你就可以通过寻找发光点来观察阴极射线击中管子的位置。如果
(a) 在阴极射线管上方放置一块带负电的金属板

(b) 在阴极射线管的右侧放置一块带负电的金属板

(c) 在阴极射线管的右侧放置一块带正电的金属板

(d) 在阴极射线管上方放置一块带负电的金属板，并在阴极射线管的左侧放置一块带正电的金属板

(e) 在阴极射线管下方放置一块带正电的金属板，并在阴极射线管的左侧也放置一块带正电的金属板。

词汇

α粒子: 失去了电子的氦原子。它们是由铀在衰变过程中产生的。
阳极: 一块带正电的金属板。
阴极: 一块带负电的金属板。
阴极射线: 从阴极流向阳极的电流。J.J. 汤姆森证明了这些射线实际上是带负电的亚原子粒子（或电子）。
阴极射线管: 一个玻璃管，一端有一个阴极和一个阳极，它们之间有一定的距离。阴极射线管产生阴极射线。
原子核: 原子的中心小核心，原子的大部分质量（以及原子所有正电荷）都位于这里。
磷光体: 一种化学物质，当被阴极射线击中时会发光。
葡萄干布丁模型: 一种原子模型，它认为带负电的电子就像散布在带正电物质（构成面糊）中的葡萄干。
亚原子粒子: 小于原子的粒子。三种主要的亚原子粒子是电子、质子和中子。

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