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主要内容

课程: 化学 > 单元 3

课程 1: 原子结构的历史
科学
化学
原子的电子结构
原子结构的历史
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电子和原子核的发现

Google课堂
汤姆森纳森的阴极射线学实验和卢瑟福的金箔实验

要点

  • 约瑟夫·汤姆孙(J.J. Thomson) 用阴极射线管进行的实验表明，所有 原子都含有微小的带负电荷的亚原子粒子或 电子。
  • 汤姆孙原子的 梅子布丁模型 是含有带负电荷的电子悬浮分布在充满正电荷的“浓汤”中。
  • 卢瑟福（Rutherford）的金箔实验表明，原子中大多数是空的空间，并在其中有一个体积微小、高密度的、带正电的原子核。
  • 根据这些结果，卢瑟福提出了原子的 核模型。

引言: 建立在道尔顿的原子理论基础上

在 上一篇关于道尔顿的原子理论的文章中，我们讨论了如下假设：
  • 所有物质是由不可分割的被称为原子的粒子组成的，这些粒子不可被创造或者毁灭。
  • 同一元素的原子具有相同的质量和物理特性。
  • 化合物是 2 个或更多元素的原子的组合。
  • 所有化学反应都涉及原子的重排。
道尔顿的思想被证明是现代原子理论的基础。然而，他的一个基本假设后来被证明是不正确的。道尔顿认为原子是最小的物质单位−微小的硬球体, 不能再被分解了。这一假设一直存在，直到物理学实验表明原子是由更小的粒子组成的。在本文中，我们将讨论一些重要实验，它们导致了电子和原子核的发现。

约瑟夫·汤姆孙和电子的发现

在 19th 世纪后期，物理学家 约瑟夫·汤姆孙 开始用 阴极射线管 做试验。阴极射线管是密封的玻璃管，里面大部分空气都已被抽出。在管的一端的两个电极上施加高压，这会使一束粒子从阴极 (负电荷电极) 流向阳极 (正电荷电极)。这些管被称为阴极射线管，因为粒子束或 “阴极射线” 从阴极始发。通过一种被称为 荧光粉 的材料涂在管子远离阳极的一端，可以检测到射线。荧光粉在阴极射线的影响下会产生火花或发光。
阴极射线管的示意图。
约瑟夫·汤姆孙 的阴极射线管示意图。射线发源于阴极，并通过阳极中的缝隙。阴极射线管从负电荷电板向正电荷电板偏转。粒子束在磁场的作用下偏转的量可以帮助汤姆孙确定粒子的质量电荷比。Image 来自 Openstax, CC BY 4.0.
为了测试粒子的特性，汤姆孙在阴极射线周围放置了两个带相反电荷的电板。阴极射线管从负电荷电板向正电荷板偏转。这表明阴极射线管是由负电荷粒子组成的。
汤姆孙还在管的两侧放置了两个磁铁，并观察到这个磁场也使得阴极射线发生偏转。这些实验的结果帮助汤姆森确定了阴极射线管粒子的 质量电荷 比，这导致了一个奇妙的发现−每个粒子的质量远远小于任何已知原子。汤姆森重复了他的实验，使用不同的金属作为电极材料，并发现无论什么阴极材料，阴极射线的性质保持不变。根据这一证据，汤姆孙得出了以下结论：
  • 阴极射线由负电荷粒子构成。
  • 这些粒子必须作为原子的一部分存在，因为每个粒子的质量只有∼12000 的氢原子的质量。
  • 这些亚原子粒子可以在所有元素的原子中找到。
虽然一开始很有争议，但汤姆孙的发现逐渐被科学家们接受。最终，他的阴极射线粒子被赋予了一个更为人熟悉的名字：电子。电子的发现反驳了道尔顿原子理论中假定原子是不可分割的部分。为了解释电子的存在，需要一个全新的原子模型。
概念检查：为什么汤姆孙得出结论认为，电子可以在所有元素 原子中找到？

李子布丁模型

汤姆孙知道原子的总电荷为中性。因此，他推断，原子内部必须有正电荷的来源，以平衡电子上的负电荷。这导致汤姆孙提出，原子可以被描述为悬浮在正电荷的浓汤中的负粒子。这种模式通常被称为原子的 李子布丁模型，因为它的描述与李子布丁非常相似，李子布丁是一种流行的英国甜点 (见下图)。
右边是原子的李子布丁模型，左边是李子布丁甜点的图片。
李子布丁模型将电子描述为嵌入在正电荷海洋中的负电荷粒子。汤姆孙的原子结构类似于李子布丁，一种英国甜点 (左)。Image 来自 Openstax, CC BY 4.0.
考虑到我们现在对原子实际结构的了解，这个模型听起来可能有点牵强。幸运的是，科学家们继续对原子结构进行研究，以及测试汤姆森李子布丁模型的可靠性。
概念检查：汤姆孙提出了一个原子模型，在正电荷的“海洋里”漂浮着相反的负电荷。你能想到其他的原子模型来解释汤姆孙的实验结果吗？

欧内斯特·卢瑟福和金箔实验

原子的历史的下一个突破性实验是由来自新西兰的物理学家欧内斯特·卢瑟福进行的，他的大部分职业生涯都是在英格兰和加拿大度过的。在他著名的金箔实验中，卢瑟福在一层非常薄的纯金片上发射了一束 α 粒子束 (读作阿尔法粒子)。阿尔法粒子是氦原子核 (24He2+)，它们在各种放射性衰变过程中被释放。在这种情况下，卢瑟福在一个铅盒子里放置了一个 (放射性金属) 的样本，里面有一个小针孔。大部分的辐射被铅吸收，但有一细束的 α 粒子从针孔中穿过，朝向金箔的方向。金箔被探测器屏幕包围，当被 α 粒子击中时，探测器则会闪光。
在卢瑟福的金箔实验中使用的仪器。
在卢瑟福的金箔实验中，一束 α 粒子的光束射中了薄薄的金箔片。大多数 α 粒子直接穿过了金箔，但有一小部分粒子稍有偏转，更小的一部分被偏出超过原路径 90∘ 。 Image 来自 Openstax, CC BY 4.0.
根据汤姆孙的李子布丁模型，卢瑟福预测，大部分 α 粒子将直接通过金箔。这是因为李子布丁模型中的正电荷被认为分散在整个原子体积中。因此，来自正电荷的 "汤" 的电场太弱，不会显著影响相对庞大和快速移动的 α 粒子束的路径。
然而实验结果令人惊讶。尽管大多数 α 粒子直接通过的金箔，仍有少数 α 粒子 (大约每 20,000 个中有 1 个) 被偏移原轨道超过 90∘ 角！卢瑟福本人用下面的类比来形容这个结果："这真是我这一生见过的最令人惊奇的事情了。它的离奇就如同你对着一张纸发射了一枚15-inch 长的炮弹，然后它绕回来击中了你。”
根据汤姆孙模型 (左)的卢瑟福金箔实验的预期结果，以及他实验的实际结果 (右)。
根据原子的李子布丁模型，它假设黄金的原子内部没有足够密集或高质量的东西来使大量的 α 粒子从它们的路径偏转 (见左图 )。然而，卢瑟福实际观察到的情况与他的预测不符 (见右图 )−我们需要一个新的原子模型！

原子核模型

根据实验结果，卢瑟福就原子的结构得出了以下结论：
  • 正电荷必须定位在一个非常微小的原子体积上，其中也包含原子的大部分质量。这解释了在 α 粒子中，少部分例子是如何急剧偏转的，大概是由于与金原子核发生了罕见的碰撞。
  • 由于大多数 α 粒子直接穿过金箔，因此组成原子的绝大部分空间必然是空的！
图为红色的电子围绕着代表原子核的黑色小球体运行。
T原子核模型。卢瑟福原子图像 from Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3.0.
这使得卢瑟福提出了 核模型，其中，原子包含一个非常小的，被带负电荷的电子包围着的带正电荷的原子核。根据实验中偏转的 α 粒子的数量，卢瑟福计算出原子核占据了原子体积的很小一部分。
核模型解释了卢瑟福的实验结果，但也引出了进一步的问题。例如，电子在原子中做什么？既然相反的电荷相互吸引，电子是如何防止自己塌陷到原子核中的？幸运的是，科学已经做好了迎接挑战的准备！尼尔斯·波尔等物理学家继续设计实验来测试原子的核模型，最终发展成为现代量子力学模型。

总结

  • 约瑟夫·汤姆孙 用阴极射线管进行的实验表明，所有 原子都含有微小的带负电荷的亚原子粒子或 电子。
  • 汤姆孙提出了原子的 梅子布丁模型，它 的负电荷电子悬浮分布在充满正电荷的“浓汤”中。
  • 卢瑟福的金箔实验表明，原子中大多数是空的空间，并在其中有一个体积微小、高密度的、带正电的原子核。
  • 根据这些结果，卢瑟福提出了原子的 核模型。

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