师:各位同学,大家好。前面我们学习过分子相关知识,这节课我们将继续学习第十章第三节——解剖原子。请看大屏幕,这是人类基因遗传密码DNA双螺旋分子。同学们回忆一下,什么是分子呢?
生:分子是保持物质化学性质不变的最小微粒。分子动理论告诉我们,物质是由大量的分子组成的,分子间有间隙,分子在不停息地做无规则运动,分子间存在着相互作用力。
师:非常好。物质是由分子组成的,那分子又是由什么组成的呢?能不能再分?要是能再分,它又是由什么组成的呢?同学们带着这些问题去阅读课本113页。
(学生阅读课本)
师:通过阅读,我们知道分子是可以再分的,并且是由原子组成的。另外,我们还知道分子可以分成两类。一类是以水分子和二氧化碳分子为代表,二氧化碳分子是由一个碳原子、两个氧原子构成,水分子是由一个氧原子、两个氢原子构成。绝大多数分子都像二氧化碳分子和水分子一样,是由多个原子组成的,我们把这一类分子称之为多原子分子。还有一类是以氦气为代表,它的一个分子由一个氦原子组成。绝大多数的金属跟氦气一样,一个分子是由一个原子组成的,我们把这一类分子称之为单原子分子。分子是由原子组成的,那原子可不可以再分呢?自1803年英国化学家道尔顿提出原子概念之后,后续近100年里都认为原子是不可再分的,是物质的最小单元,是“宇宙之砖”。直到1897年,英国科学家汤姆森通过真空管实验,又叫做阴极射线管实验,发现了电子,从而打破了原子是“宇宙之砖”的说法。那汤姆森是如何“切开”原子的呢?我们一起来看一下。
在实验中,我们需要用到以下实验器材:U型磁铁、阴极射线管、电子感应圈、导线。首先了解一下阴极射线管,它是已抽成真空的玻璃管,由两个电极、荧光板、挡板构成,挡板上有一个狭缝。接通电源后,电子在电场的加速下从阴极射向阳极,通过狭缝后形成一个扁平的电子束,撞击在荧光板上,显现出一条电子束的径迹。电子感应圈是一个能提供小功率可调高压电源的装置,将电子感应圈的正负极分别连入阴极射线管的两端。
打开电源观察现象,可以看到荧光板上显现出一条呈直线的电子束。在电子束的路径上施加磁场观察现象,可以看到电子束不再是直线,而是呈弧线往右上方偏转。将U型磁铁的N极和S极对调,观察现象,可以看到电子束不再是直线,而是呈弧线往右下方偏转。在该实验中,通电后,在没有磁场的情况下,阴极射线管荧光屏上显现出一条笔直光亮的电子束。当放入U型磁铁后,荧光屏上的电子束发生了偏转,这是因为磁场对它有作用力。
真空管实验告诉我们,阴极射线实际上是从原子内部发出的粒子束,并且带负电。把这种微粒叫做电子,电子是从原子内部发出的,说明原子是可以再分的。经过科学研究发现,电子非常小,它的质量为9.11×10?31千克,半径小于10?1?米,比原子直径10?1?米小得多。
原子内部有带负电的电子,那么原子的结构到底是什么样的呢?由于原子和电子都非常小,再加上当时的实验条件有限,无法直接研究,只能借助某些已有的实验现象,再利用已有的知识,通过想象、类比等方法构建出它们的模型。这种科学研究方法叫做建立模型法。我们在光学中用带箭头的直线来表示光的传播方向和路径,就是一种建立模型。在当时,原子结构的模型比较著名的有两种,一种叫做枣糕模型,它是汤姆森提出的。汤姆生当时猜测原子内部有带负电的电子,而原子却对外不显电性,并且十分稳定,说明原子内部还有带正电的部分。就像我们平时吃的枣糕一样,均匀分布着带正电的粒子,电子镶嵌在其中是静止不动的,这就是著名的枣糕模型。那这种模型是否正确还有待于实验去检验。后来他的学生卢瑟福通过实验推翻了汤姆森的枣糕模型。卢瑟福用α射线去轰击金箔,通过实验现象分析得出汤姆森的枣糕模型是错误的。那下面我们一起来模拟一下卢瑟福的α粒子散射实验。
100多年前,著名物理学家卢瑟福和他的团队用一束带正电、质量远大于电子的高速α粒子轰击一张极薄的金箔。实验的设备包括粒子发射源、前罩、金箔以及一个环形的探测板。实验后他们发现,绝大多数的α粒子能穿过金箔且不改变方向,但是还有一小部分改变了方向,甚至还有极少数α粒子被反弹了回来。这一发现让他们很兴奋,他们认为极少数α粒子被反弹是因为它们和金原子中某种极其坚硬的核发生了碰撞。这个核很小,但质量很大,带有正电。他们推测原子是由原子核和核外电子构成的,原子核只占极小的空间,电子在原子核外非常宽广的空间运动。
α粒子散射实验的现象主要有两点:一、大多数α粒子穿过了金箔;二、少数α粒子运动方向发生大幅度偏转,甚至沿原路返回。卢瑟福对这两种现象加以分析。大多数的α粒子穿过金原子,说明原子内部很空。少数的α粒子运动方向发生大幅度偏转,甚至沿原路返回,说明原子中间有一个体积很小却几乎集中了全部质量且带正电的核,带负电的电子并不是静止不动的,而是围绕着核高速旋转的,就像行星环绕太阳一样。卢瑟福构建了他自己的核式模型。
