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原子结构的探索过程及启示 山东省青岛经济技术开发区致远中学 吴兴龙 选自《中学物理教学参考》 2008 年第 9 期 原子究竟是什么？科学家是怎样认识原子的？探询这一科学研究过程不仅能帮助学生 正确认识原子，树立正确的原子观，更能从这个过程中体会科学研究的真谛。 一．原子结构的早期假设 英国化学家和物理学家道尔顿（ J．John Dalton ， 1766～ 1844）创立原子学说后，很长 时间内人们都认为原子就像一个小得不能再小的实心球，不可再分。 1869 年德国科学家希托夫发现阴极射线后，克鲁克斯、赫兹、勒纳德、汤姆生等科学 家研究了阴极射线，历时二十余年．最终，汤姆生（ Joseph John Thomson）发现了电子的存 在．这就启发人们：既然从原子中能跑出质量为其 1/1700 的带负电的电子，这说明原子内 还有结构，也说明原子里还存在带正电的物质，它们应和电子所带负电中和使原子呈中性。 原子中除电子外还有什么物质？电子是怎么待在原子里的？原子中什么物质带正电 荷？正电荷是如何分布的？带负电的电子和带正电的物质是怎样相互作用的？一大堆新问 题摆在物理学家面前． 根据科学实践和当时的实验观测结果， 物理学家发挥了丰富的想象力， 提出了各种不同的原子模型。 1．行星结构原子模型 1901 年法国著名物理学家佩兰（ Jean Baptiste Perrin， 1870～1942）提出的行星结构模 型，认为原子中心是一些带正电的粒子， 外围是一些环绕旋转着的电子， 电子绕转的周期对 应于原子发射的光谱线频率，最外层的电子抛出时就会发射出阴极射线。 2 ．中性原子模型 1902 年德国物理学家勒纳德（ Philipp Edward Anton Lenard ， 1862～ 1947）提出了中性 微粒动力子模型． 勒纳德早期的观察表明， 阴极射线能通过真空管内铝窗而到达管外。 根据 这种观察，他在 1903 年用实验证明了高速阴极射线能通过数千个原子。按照当时盛行的半 唯物主义看法， 原子大部分体积是空无一物的空间，而刚性物质大约仅占其全部体积的 10－ 9 （即十万万分之一）。勒纳德设想 “刚性物质 ”是散处于原子内部空间里的若干阳电和阴电的 中性合成体。 3 ．实心带电球原子模型 英国著名物理学家、发明家 W·汤姆生（ William Thomson ， 1824～ 1907）于 1902 年提 出了实心带电球原子模型， 把原子看成均匀带正电的球体， 里面包含着带负电的电子， 正常 状态下处于静电平衡。这个模型后由 W·汤姆生的儿子 J J·汤姆生加以发展，统称汤姆生原· 子模型。 4 ．葡萄干蛋糕原子模型 J J·汤姆生（· Joseph John Thomson ， 1856～1940）继续进行更有系统的研究，尝试描绘 原子结构。 汤姆生认为原子含有一个均匀的阳电球， 若干阴性电子在这个球体内运行． 他按 照迈耶尔（ Alfred Mayer ）关于浮置磁体平衡的研究证明，如果电子数目不超过某一限度， 则这些运行电子所组成的一个环必能稳定； 如果电子数目超过这一限度， 则将列成两环， 如 此类推以至多环。 这样， 电子的增多就造成了结构上呈周期的相似性， 而门捷列夫周期表中 物理性质和化学性质的重复再现，也就得以解释了。 J J·汤姆生提出的模型中，电子分布在球体内有点像葡萄干点缀在一块蛋糕里，故人们· 把汤姆生原子模型称为 “葡萄干蛋糕模型 ”